ZBOT-FT PF
Zukünftige Raumfahrtmissionen benötigen die Lagerung und den Transfer von Treibstoffen im Weltraum. In der Schwerelosigkeit können die Kapillarkräfte innerhalb des Treibstofftanks, je nach Größe und Beschleunigung, dominieren. Dies führt zu einer Reorientierung der Flüssig- und Gasphase, wobei nicht sichergestellt werden kann, dass sich die gewünschte Flüssigphase am Auslass des Tanks befindet. Um eine gasfreie Flüssigtreibstoffzufuhr am Auslass des Tanks zu gewährleisten, werden Treibstoffhandhabungskomponenten eingesetzt. Das Forschungsprojekt Zero Boil-Off Tank Experiment - Befüllung und Transfer (ZBOT-FT) zielt darauf ab, ein Konzept für die Befüllung und den Transfer von Flüssigtreibstoffen in der Mikrogravitation zu beweisen. Dieser Nachweis ist die Voraussetzung für die Planung eines Experiments auf der internationalen Raumstation (ISS) in amerikanisch-deutscher Zusammenarbeit.
Die Entwicklung wird durch die Durchführung von Parabelflugexperimenten unterstützt. Es wird die Phasentrennung und gasfreie Flüssigkeitsentnahme aus dem Experimenttank mit Hilfe eines siebbedeckten Flüssigkeitsentnahmekanals (SC-LAD) untersucht. Außerdem wird die entlüftete Tankbefüllung mit Hilfe einer Geschwindigkeitskontrollplatte (VCP) getestet. Der Experimenttank besteht aus den folgenden Komponenten: siebbedeckten Flüssigkeitsentnahmekanal (SC-LAD), Ringbleche, Geschwindigkeitskontrollplatte (VCP) und Auslass zur Entlüftung des Gases (GP). Während des Befüllvorgangs muss das Gas im Inneren des Tanks durch den GP entlüftet werden. Das Verhalten des einströmenden Flüssigkeitsstrahls mit der freien Oberfläche wird für verschiedene Volumenströme untersucht. Während des Entnahmeprozesses wird die Phasentrennfähigkeit des SC-LADs für unterkritische und kritische Fälle getestet. Der Blasendurchbruch am Sieb wird als kritischer Fall betrachtet. Als Testflüssigkeit wird HFE-7500 verwendet.
Experimentaufbau
Die Experimentanlage wird in drei Teilen aufgebaut: Das hydraulische System, die elektrische Versorgungs- und Steuereinheit und der Laptop-Stand. Das hydraulische System besteht aus zwei Ebenen; die untere Ebene beinhaltet alle Komponenten des Fluidkreislaufs. Der Experimenttank und die optischen Systeme befinden sich auf der oberen Ebene. Die elektrische Einheit versorgt alle Komponenten des Hydrauliksystems und die Laptops mit Strom. Der Laptop-Stand dient als Arbeitstisch für die beiden Laptops auf der oberen Ebene, mit denen die Experimentatoren die Experimentanlage bedienen. Die Befüllung und die Entnahme von Flüssigkeit sollen nacheinander an einem Experimenttank getestet werden. Der hydraulische Kreislauf besteht aus einem gemeinsamen inneren Kreislauf und jeweils einem äußeren Kreislauf für die Flüssigkeitsentnahme und die Flüssigkeitsbefüllung. Eine Flüssigkeitspumpe dient dazu, die Entnahme und Befüllung von Flüssigkeit zu realisieren. Der Phasentrenner trennt die Flüssigkeit und das Gas im Kreislauf. Mit Hilfe von Sensoren werden der Volumenstrom, die Temperatur und der Druck im Kreislauf gemessen. Für die Experimente zur Flüssigkeitsentnahme unter Schwerelosigkeit wird die gasfreie Flüssigkeit aus dem Auslass des SC-LADs im Experimenttank entnommen. Für die Befüllungsexperimente wird die gasfreie Flüssigkeit in den Experimenttank befüllt, wobei das Gas im Tank über den Auslass entlüftet wird.
Zukunftsperspektive des Experiments
Das Experiment soll die Entnahme und Befüllung von Flüssigkeit unter Schwerelosigkeit demonstrieren. Die Ergebnisse werden die Planung und Entwicklung des ZBOT-FTExperiments für die internationale Raumstation unterstützen. Darüber hinaus soll das Konzept der Flüssigkeitsentnahme und -befüllung auch unter ungünstigen Bedingungen getestet werden, bei denen die Flüssigkeit im Tank eine negative Beschleunigung erfährt. Die aus dem Parabelflugexperiment erworbenen Daten werden hilfreich sein, um den Entnahme- und Befüllungsprozess unter variablen Beschleunigungen zu verstehen. Dieses Wissen soll auf Szenarien angewendet werden, bei denen die Tanks von Raumfahrzeugen sich unter variablen Beschleunigungen befinden. Weiterhin können die Werkzeuge der numerischen Simulation mit den experimentellen Daten validiert werden.