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美国:制冷工程师正在开发一种蒸汽压缩冰箱,它将在零重力和不同方向下工作,为宇航员提供更持久、更有营养的食物。

目前宇航员在执行任务时吃的罐头和干粮的保质期只有三年左右。该团队的项目由美国宇航局小企业创新研究 (SBIR) 计划资助,旨在为宇航员提供可持续五到六年的食物供应。

尽管之前曾在太空中进行过冰箱实验,但它们要么运行得不够好,要么最终崩溃了。目前国际空间站上的冷却系统用于实验和存储生物样本,而不是用于存储食物,并且其 COP 仅为 0.36,比地球上的冰箱消耗更多的能量。

来自普渡大学、Air Squared Inc 和 Whirlpool Corporation 的工程师团队旨在设计一种冰箱,可以在执行任务之前将其送入太空,并在冷冻温度下运行以满足宇航员的需求。要做到这一点,它需要在零重力下工作——如果航天器降落在另一个星球上时以这种方式定向,则它需要上下颠倒。

“在典型的冰箱中,重力有助于将液体和蒸汽保持在它们应该在的位置。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,”普渡大学机械工程博士生 Leon Brendel 解释说。

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普渡大学研究人员 Eckhard Groll(左)和 Leon Brendel 站在冰箱实验旁,该实验旨在以不同的方向工作

使用无油涡旋压缩机由位于科罗拉多州的 Air Squared 公司开发,该公司是无油涡旋解决方案的专家,解决了零重力问题及其对整个冰箱中油流动的影响的问题。压缩机将在原型和由普渡大学研究人员建造的更大、更仪器化的对应物中进行测试。

Air Squared 一直在使用获得专利的集成涡旋压缩机-膨胀机技术,涡旋压缩机和膨胀机在一个公共轴上运行,从而允许所有旋转部件使用单个半密封外壳。

“没有重力意味着石油没有流向它应该流向的地方。我们的设计不需要压缩机中的油,从而提供更高的可靠性,因此冰箱可以长时间运行,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,滞留在系统中并损坏压缩机无法操作,”Air Squared 的项目工程师、该团队获得 NASA SBIR 奖的首席研究员、普渡大学机械工程学院的校友斯蒂芬·卡斯基 (Stephen Caskey) 说。

工程师们建立了三个实验来测试微重力对新的无油冰箱设计的影响:一个未来可能在国际空间站上使用的原型,一个测试原型对液体淹没的脆弱性的设置和一个更大版本的原型用传感器和仪器来捕捉重力如何影响蒸汽压缩循环。

下个月,该团队将在零重力公司运营的失重研究实验室中测试他们的冰箱设计。Zero Gravity Corporation 总部位于弗吉尼亚州邓弗里斯,运营着从美国机场起飞的失重航班。

这架专门设计的飞机将在四次飞行中的每一次飞行中在微重力下飞行数十次,每次间隔 20 秒。这些飞行数据得到 NASA 飞行机会计划的支持,将帮助团队确定该设计是否已准备好在太空中使用。

“在这个项目的最后两年中,我们在推动技术进步方面取得了巨大进步,”获奖教授、普渡大学机械工程学院院长 Eckhard Groll 说。“如果这些抛物线飞行像我们想象的那样进行检验并证明我们的系统在微重力下工作,那么我们距离拥有用于太空飞行的冰箱只有几年的时间。我们很高兴为这次飞行提供冰箱。我认为我们已经具备了这样做的所有工具。”

Brendel 和 Paige Beck(普渡大学机械工程专业的大三学生)以及来自 Air Squared 团队的其他三名成员将进行飞行实验,测试冰箱设计的各个方面。

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