Operational Techniques in Microgravity for Cryogenic Fluid Management

晃动动力学 加速度 航空航天工程 沉淀 机械 计算机科学 环境科学 物理 工程类 经典力学 环境工程
作者
Bryan E. Hoffman,Jacob Brodnick
标识
DOI:10.2514/6.2023-1217
摘要

Management of cryogens in microgravity is a critical challenge for exploration missions to the Moon and Mars. Operational strategies to aid in cryogenic fluid management (CFM) are proposed and demonstrated using computational fluid dynamics simulations. Application of axial settling thrust is an essential – but potentially expensive – tool for CFM. Demonstrations show that its utilization and timing are important during certain unsettling events, such as engine cutoff. At other times, substantial savings can be realized by reducing the average acceleration (through pulsing thrusters, for example). If the metric for reaching a settled condition is a particular number of slosh periods, then fewer settling resources are needed with a lower acceleration. Alternatively, if a target wave amplitude is the settling objective, then a lower average acceleration will also allow for a higher allowable amplitude for the same heat transfer. Savings can also be obtained by rolling the vehicle, which can mitigate lateral slosh. Advantages and disadvantages of anti-slosh baffles are also discussed along with practical examples of their impact on CFM and ullage collapse. Ullage collapse examples are presented along with recommendations for slewing a vehicle with angular and translational acceleration to mitigate mixing between liquid and ullage.

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