미세 중력에서의 열교환 흐름 최적화

2023년 7월 31일

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비행기, 기차, 자동차… 그리고 우주선. 이러한 네 가지 운송 혁신 모두 전력 공급을 위해 연료에 의존하고 있지만 또 다른 핵심 구성 요소는 열 관리입니다. 국제 우주 정거장 및 기타 상업용 우주선과 같은 시스템 내부의 열 분포 및 흐름을 제어하지 않으면 우주 공간의 극도로 뜨겁고 차가운 온도를 고려할 때 선박 내부 온도는 우주 비행사가 거주할 수 없습니다.

이 복잡한 문제는 NASA의 Glenn 연구 센터의 물리 과학 연구원들이 FBCE(Flow Boiling and Condensation Experiment)를 통해 조사하고 있는 많은 과제 중 하나일 뿐입니다.

FBCE의 열 전달을 위한 응축 모듈(CM-HT)의 결과는 미래 우주 및 지구 시스템 설계에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 여기에는 우주 발전, 행성 서식지, 우주 차량 온도 제어, 극저온 유체 저장, 폐기물 관리, 전기 자동차 충전, 다양한 g-부하에서 전투기 냉각 및 재생 연료 전지가 포함됩니다.

CM-HT의 과학적 목적은 미세 중력에서 응축 열 전달을 평가하고 흐름 응축 중력 독립에 대한 기준을 개발하는 데 사용될 흐름 응축의 데이터베이스를 생성하는 것을 목표로 합니다. 이러한 기준은 우주 응용 분야를 위한 효율적인 흐름 응축기를 설계하는 데 사용됩니다. 흐름 응결 수학적 예측 모델, 전산유체역학(CFD) 모델 및 설계 상관관계가 설계 응용을 위해 개발됩니다.

FBCE는 미세 중력에서 2상 흐름 비등 및 응축 열 전달 데이터를 얻기 위한 기본 플랫폼 역할을 합니다. CM-HT 테스트 모듈은 단열성이 높은 재료로 형성된 또 다른 원통형 채널을 따라 동심원적으로 배치된 얇은 벽의 스테인리스 스틸 튜브를 특징으로 합니다.

테스트 유체 증기는 내부 튜브를 통해 흐르고 고리를 통해 물의 역류로 열을 거부하여 응축됩니다. 외부 채널 벽의 낮은 열 전도성은 모든 열이 두 유체 사이에 전달되도록 보장합니다. 다른 금속에 비해 열전도율이 낮기 때문에 스테인리스강은 축방향 전도 효과를 최소화하여 유체 간 방사형 열 전달이 대부분 가능합니다.

미세중력 열전달 데이터를 지구 중력에서 얻은 데이터와 비교함으로써 기계적 모델과 상관 관계를 추구하여 2상 수송 현상에 대한 체력의 영향을 확인하고 최소 흐름 기준을 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 중력에 독립적인 흐름 비등 및 응축을 보장합니다.

미세 중력의 저속 2상 흐름은 지구 중력에서는 일반적으로 발생하지 않는 심각한 문제를 야기합니다. 중력 수준이 감소함에 따라 관성, 표면 장력 및 신체 힘 사이에 새로운 균형이 작용하여 흐름 계면 구조의 기본 메커니즘이 크게 변경됩니다. 이러한 효과를 연구하기 위해 FBCE 시설은 2상 흐름 연구를 위한 우수한 미세 중력 환경을 제공하는 ISS FIR(Fluid Integrated Rack) 궤도 실험실에 설치되었습니다.

흐름 비등과 응축은 미래 우주 시스템의 성능 향상뿐만 아니라 무게와 부피 감소를 달성하는 데 필수적인 열 전달의 두 가지 핵심 메커니즘으로 확인되었습니다. 이 조사의 결과는 궁극적으로 미세 중력 환경에서 높은 전력 수요가 있는 장기간 임무에 활용하기 위한 흐름 보일러 및 흐름 응축기의 설계 최적화를 지원합니다. 효율적인 보일러와 응축기는 장기간의 임무에서 에너지를 효율적으로 사용합니다. 우주 시스템은 제한된 전력 예산으로 작동하기 때문에 사용 가능한 전력에 엄격한 제약을 가하면 임무의 에너지 보존에도 도움이 됩니다.