NASA開始測試下一代飛船熱交換器

NASA的深空獵戶座（Orion）飛船要求精密控制熱能溫度來保護乘組及設備。

圖片來源：洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）

在國際空間站（International Space Station）上使用的相變熱交換器演示儀（Phase Change Heat Exchanger Demonstration Facility）將測試使用石蠟來控制溫度，並且有可能用在獵戶座飛船上。

圖片來源：NASA/Rubik Sheth

在國際空間站上使用的相變熱交換器演示儀將測試使用石蠟來控制溫度，並且有可能用在獵戶座飛船上。

圖片來源：NASA/Rubik Sheth

相變熱交換器演示儀有一個類似廚房抽屜的可移動模塊攜帶著10磅（4.5公斤）重的石蠟

圖片來源：NASA/Rubik Sheth

2016年7月21日，國際空間站（ISS）的乘組們接收了一件交付的獨一無二的硬體，它有助於NASA實現衝出地球進入深空的載人旅程。

相變材料熱交換器（PCM HX）演示儀搭上SpaceX公司的龍貨運飛船（Dragon cargo craft）來到國際空間站，飛船於7月18日搭載獵鷹9號(Falcon 9)火箭從佛羅里達卡拉維拉爾角空軍基地（Cape Canaveral Air Force Station）升空。7月20日早些時候龍飛船抵達了空間站，乘組們即可開始將貨運飛船中近5,000磅（4,536公斤）的科學、研究以及軌道試驗室用硬體搬上空間站。

此硬體是NASA開創新局發展項目（Game Changing Development program）的努力成果之一，該項目將推進太空科技，並可能推動NASA未來任務的全新進展和國家重大需求的解決方案。更新穎的是這個高科技裝置填充著一種與蠟筆質地相似的材料——石蠟。

熱力學挑戰

「石蠟的使用時間最早可以追溯到公元前221-206年，但它可能不會想到成為21世紀空間旅行的理想材料，但這個例子就是事實，」Rubik Sheth先生解釋道。Rubik Sheth先生是NASA休斯頓約翰遜航天中心（Johnson Space Center）熱能系統分部（Thermal System Branch）的項目經理和系統工程師。

NASA的獵戶座飛船的一項未來使命是支持乘組在月-地空間。「當宇宙飛船位於太陽和月球之間時飛船會變得非常熱，所以派遣人類去月球附近的深空是一項熱力學挑戰。我們需要這些相變材料熱交換器去吸收額外多餘的，原本獵戶座飛船將會接受的能量」，Sheth解釋道。

Sheth指出熱交換器冷凍或者液化一種材料去維持飛船內部的關鍵溫度，從而保護乘組及設備。

被選擇展示在國際空間站相變材料熱交換器里的材料是正十五碳烷（N-pentadecane）。Sheth說，「它在自身的一致性和觸覺上都非常像蠟筆」。

它如何工作

相變材料熱交換器簡稱——PCM HX，通過液化一種相變材料，如石蠟，作為熱冷卻劑。能量隨後被飛船的散熱器輻射出去，然後再冷凍石蠟為下一次熱負載峰值做準備。這種新型的熱交換器能幫助消除獵戶座產生的熱並更好的調節溫度，Sheth說。「這也是為什麼我們讓它飛到國際空間站去看它如何在微重力下工作，然後採取下一步實現這一構想。」把石蠟用於一台PCM HX中反反覆復想法源於1973-1974年在NASA天空實驗室空間站中乘組們不斷的實驗和在錯誤中的嘗試。與此類似，石蠟最早曾被應用於阿波羅登月項目的月球車上作為一種被動冷卻儀器。然而結果卻是前後矛盾的，Sheth指出。

Sheth說我們與康乃迪克州Windsor Locks的聯合技術航空航天系統公司（United Technologies Aerospace Systems）一起做了全面回顧，石蠟基的PCM HX被造來用以飛行演示。國際空間站的測試設備使用一種建造在加熱器和熱電裝置的熱能控制系統，該系統協助PCM HX的冷凍和液化循環。

一個可移動的廚房抽屜大小的PCM HX部件儀器裝載了10磅（4.5公斤）石蠟。每公斤石蠟本身能夠鎖住200千焦的熱能。所以我能在每公斤石蠟那裡塞進200千焦的能量，Sheth說。

這等同於點亮一盞緊湊的熒光燈約8小時的能量。一個用石蠟的PCM HX，如同對照的使用數加侖的水，等於為獵戶座飛船建造者帶來潛在的大規模的節約。

返回地球

在國際空間站上此設備能夠日以繼夜的運行。但是當它處在10到30攝氏度的低溫區工作時它是一個能源消耗大戶。這意味著，不得不與空間站其他有效負荷分配電力，電力需要在不同的實驗間進行分配。

「我們想在今年12月試一遍」，Sheth說

Sheth指出待到今年年底石蠟將會從儀器中撤走，然後返回地球。實際的演示儀器將仍然留在國際空間站，為其他溫度要求低於零下10攝氏度的製冷劑測試做準備，石蠟一旦回到NASA手中將會對其外觀進行形變檢查，然後從中間切開。「我們想看石蠟如何保持熱交換器單元本身的內部幾何結構」，Sheth說。此項評估能夠幫助未來石蠟基的PCM HX更有效率。

Sheth說目標是給獵戶座飛船團隊的獵戶座探險任務2（Orion s Exploration Mission 2，EM-2）一份報告，為EM-2選擇的相變材料子系統關鍵設計審核流程，獲取經驗將是NASA太空發射系統火箭的第一個乘組的任務。

國際空間站PCM HX演示儀儘力用2年的時間去改進。

「該項目已經在許多方面取得了回報」，Sheth說。「從工程上說儀器已經得到國際空間站的承認，搭載龍飛船運到空間站，我們已經完成的工作是非常了不起的。」（編輯：Loura Hall 翻譯：imsue 校對：Frank）——NASA中文

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