Zero Boil-Off Tank Experiment: Untersuchung zur Befüllung eines Tanks eines Raumfahrzeuges von einem im Orbit befindlichen Tanker - Filling and transfer (ZBOT-FT 2)

Abstract

Die Erkundung des Weltraums erfordert die Handhabung fluider Medien bei allen Beschleunigungen, d.h. in einer angetriebenen Phase (durch das Haupttriebwerk oder die Lageregelungstriebwerke), in einer Freiflugphase (Haupttriebwerk ausgeschaltet) und während des Aussetzens der Nutzlast. Das Befüllen von leeren oder teilweise leeren Tanks mit Wasserstoff oder Methan ist eine Voraussetzung für die Exploration des Weltraums. Dieser Vorgang erfordert einen Gebertank, z.B. eines Tankers, und einen Empfängertank, in diesem Fall in dem zu betankenden Raumfahrzeug. Der Empfängertank muss auf die Sättigungstemperatur des jeweiligen Treibstoffes abgekühlt werden. Der Gebertank muss bedrückt werden und braucht Treibstoffhandhabungskomponenten, im weiteren als PMDs (Propellant management devices) bezeichnet, um die Entnahme von Flüssigkeit unter der herrschenden Beschleunigungsbedingung (wahrscheinlich sehr gering) zu garantieren. Der Empfängertank sollte einen Phasenseparator am Auslass haben, der dafür sorgt, bei der Befüllung Gas entweichen zu lassen, aber keine flüssige Phase. Es gibt verschiedene Befüllkonzepte, entweder mit Druckentlastung (vented filling) oder zugelassenem Druckaufbau (no-vent filling). Das Abkühlen des Empfängertanks führt zu verschiedenen Wärmeübertragungsarten, insbesondere zu Filmsieden, Blasensieden und natürlicher Konvektion. Die übertragene Wärme hängt jeweils von der Beschleunigungssituation ab. Die Druckentlastungszyklen des Empfängertanks führen zu Kavitation (Entstehung, Ablösung und Aufstieg von Gasblasen), Temperaturschichtung der fluiden Phasen und anderen Effekten. Bei allen Situationen, bei denen freie Oberflächen vorliegen und Phasenwechselvorgänge auftreten, spielt die wirkende Beschleunigung eine entscheidende Rolle. Alle diese Aspekte wurden mit Experimenten am Boden, im Fallturm, auf Parabelflügen, Suborbitalflügen und einem Raumstationsexperiment (ZBOT-FT) untersucht werden. Die Untersuchungen wurden im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit unserem Projektpartnern Dr. Kassemi an der Case Western Reserve University und am NASA Glenn Research Center, der Abteilung Space Life and Physical Science Research and Applications (SLPSRA) im Headquarter der NASA in Washington D.C., und dem Space Technology Mission Directorate (STMD) eben dort, durchgeführt werden. Der deutsche Anteil bezieht sich auf die Bodenuntersuchungen mit Ersatzflüssigkeiten sowie Wasserstoff und Methan unter Nutzung der vorhandenen Infrastruktur. Versuche wurden am Boden und im Fallturm Bremen durchgeführt werden. Hierzu wird im Endbericht des Vorhabens 59RL2290 berichtet1 . Es liegen hinreichende Erfahrungen in der Durchführung kryogener Experimente vor, und zwar zum Schwappen, zur Phasentrennung, zum Behältersieden und zur Behälterkavitation. Testfluide waren dabei Wasserstoff, Neon, Stickstoff, Argon und Methan mit Sättigungstemperaturen von 20 K bis 112 K. Im Rahmen des Vorhabens 50WM2248 wurde ein Lastenheft für ein Raumstationsexperiment (Science Requirement Document - SRD) für ZBOT-FT erstellt. Hierbei geht es um ein generisches Experiment, welches alle relevanten Effekte einer Originalbetankung auf der Modellskala abbildet. Methoden und Werkzeuge der numerischen Strömungssimulation, wie die OpenFOAM Plattform, ANSYS Fluent und FLOW-3D werden für die Vorbereitung des Raumstationsexperimentes genutzt. Hierbei spielt die Zusammenarbeit mit unserem Projektpartner, Dr. Kassemi, eine entscheidende Rolle. Er hat bereits ein erstes Experiment dieser Serie (ZBOT-1, 2017) auf der Raumstation durchgeführt und entsprechende numerische Untersuchungen angestellt. Im Rahmen des Vorhabens wurden relevante Voruntersuchungen durch- geführt, um den Bau und den Betrieb des Raumstationsexperiments vorzubereiten. Ein Beginn des Testbetriebs ist für das Jahr 2029 vorgesehen. In diesem Bericht wird über die Vorarbeiten am Geber- und Empfängertank berichtet, die mit einem lagerfähigen Ersatzfluiden (C5F12, HFE-7500) durchgeführt wurden.