宇航员要去月球或火星执行长期任务,他们需要一台冰箱。但是,现在的冰箱并不是设计成在零重力下工作,或者在航天器降落到另一个星球上时倒置。


来自普渡大学、Air-Squared公司和惠而浦公司的一个工程师团队正在研制一种零重力冰箱,它可以在不同的方向上工作,就像你厨房里的冰箱一样,让宇航员能够获得更持久、更有营养的食物。

普渡大学联合惠而浦等公司研发零重力冰箱 为太空宇航员提供更保鲜的食物

今年5月,该团队将在零重力公司(Zero-G)独特的失重研究实验室测试他们的冰箱设计。作为美国唯一的同类测试空间,这架特别设计的飞机将在微重力下飞行数十次,每次飞行间隔20秒。来自这些飞行的数据得到了美国宇航局飞行机会计划的支持,这些数据将有助于研究小组确定这种设计是否可以在太空中使用。


宇航员目前在执行任务期间食用的罐装和干粮保质期只有3年左右。该团队的项目由美国宇航局小型企业创新研究(SBIR)项目资助,旨在为宇航员提供可维持5至6年的食物。


“宇航员需要有质量更好的食物,他们可以随身携带。这就是冰箱发挥作用的地方。但对于太空来说,这仍然是一项相对较新的技术。”普渡大学机械工程学院院长、教授埃克哈德·格罗尔(Eckhard Groll)说。


工程师们并不是第一个尝试建造类似于地球上用于太空任务的冰箱的人,但他们是自1969年宇航员登上月球以来为数不多的几个尝试过的人之一。尽管冰箱实验之前已经在太空中进行过,但它们要么工作得不够好,要么最终崩溃。


目前国际空间站上的冷却系统用于实验和储存生物样本,而不是储存食物,它们消耗的能量远远超过地球上的冰箱。该小组的目标是设计一种冰箱,可以在执行任务前送入太空,并在冰柜温度下工作,以满足宇航员的需要。


工程师们5月的飞行将测试可能的解决方案,使一个典型的冰箱使用蒸汽压缩制冷的冷却过程足够可靠的空间任务。


普渡大学机械工程专业的博士生利昂·布伦德尔说:“当我开始这个项目时,还不完全清楚会出现什么问题,因为过去在微重力下没有多少蒸汽压缩制冷实验。在一个典型的冰箱里,重力有助于保持液体和蒸汽在它们应该在的地方。同样,冰箱压缩机内部的油润滑系统也是基于重力的。将新技术带入太空时,使整个系统在零重力下可靠是关键。”

普渡大学联合惠而浦等公司研发零重力冰箱 为太空宇航员提供更保鲜的食物

布伦德尔和佩奇贝克,一个普渡大学机械工程专业的大三学生,以及来自空气广场的其他三名队员将进行飞行实验,测试冰箱设计的各个方面。每一次飞行,飞机将执行30个抛物线,包括火星,月球和微重力。在抛物线峰值期间和之后,工程师们将体验微重力环境,让他们四处漂浮,观察实验并收集数据。


“这对我来说是千载难逢的机会,我等不及要登机了。”布伦德尔说。


该小组的冰箱原型大约有微波炉那么大,非常适合安装在国际空间站上,也可以像地球上那样插入电源插座。这个由airsquared公司制造的原型将作为该团队的三个实验之一飞行。


普渡大学的研究人员还做了另外两个飞行实验,这将有助于他们详细了解样机的工作情况。其中一个实验是原型的更大版本,带有传感器和其他仪器,用于测量重力对蒸汽压缩循环的影响,而另一个实验则测试原型在可能损坏冰箱的液体泛滥中的脆弱性。这些实验是在普渡大学的雷·W·赫里克实验室进行的,该实验室是研究供暖、通风、空调和制冷的设施。


普渡大学的研究小组正在测试冰箱设计在不同方向上运行的能力,比如倒置和侧向运行,方法是在实验室里旋转较大版本的样机。旋转这个实验让研究小组在5月份飞行前就感觉到重力是如何影响设计的。


布伦德尔说:“地面上没有任何地方能找到微重力来进行实验,但我们可以通过旋转冰箱来改变冰箱的相对重力方向。”


如果研究人员在实验室里证明重力对蒸汽压缩循环的影响可以忽略不计,那么这种设计也可能在零重力下工作。如果冰箱可以在任何方向工作,那么太空工作人员就不用担心确保冰箱在着陆时是正面朝上的。


为了避免零重力环境如何影响整个冰箱的油流的问题,airsquared开发了一种无油压缩机。该压缩机将在原型和普渡大学研究人员制造的更大、更具仪表化的压缩机上进行测试。


没有重力意味着石油没有流向它应该流向的地方。Air Squared的项目工程师Stephen Caskey说:“我们的设计提供了更高的可靠性,因为它不需要压缩机中的油,这样冰箱就可以长时间运行,并且不会受到微重力环境的挑战,在微重力环境中,油可能会离开压缩机,滞留在系统中,导致压缩机无法运行。”


惠而浦公司为冰箱实验提供了其他组件,以及如何集成这些组件、运行实验和以满足国际空间站使用要求的方式包装原型的专业知识。


惠而浦公司高级首席工程师阿尔贝托·戈麦斯说:“如果你在太空中的冰箱出现问题,你不能像在地球上一样直接打电话叫服务团队来修理你的冰箱。当我们开发家用冰箱时,可靠性是一个非常重要的部分。你需要这台冰箱能用几年。我们为这个项目引进了一些专业知识,研究如何使这些系统在太空中更加可靠。”


研究人员说,如果这些实验成功,不久宇航员就会在太空中拥有可靠的冰箱。


格罗尔说:“在这个项目的最后两年里,我们在推动技术进步方面取得了巨大的进步。如果这些抛物线飞行能像我们想象的那样验证,并证明我们的系统在微重力下工作,那么我们离拥有一台用于太空飞行的冰箱只有几年的时间了。我们很高兴能为某次太空旅行提供冰箱。我想我们已经准备好了所有的工具。”



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