液滴ラジエーター

液滴ラジエーター(LDR) または以前は液滴ストリームラジエーターと呼ばれていたものは、宇宙の発電所、推進システム、または宇宙船システムによって生成される廃熱を放散するために提案された軽量ラジエーターです。

先進的あるいは将来の宇宙ミッションには、廃熱の除去を必要とする動力源や推進力が必須です。原子炉や宇宙太陽光発電衛星（SPS）などの高出力を扱う大型宇宙構造物（LSS）を実現するためには、大量の廃熱の処理を考慮する必要があります。

このような宇宙システムには、高度な高温熱制御システムが必要です。従来のラジエーターを備えた液体金属ヒートパイプは、このような用途に最適であると考えられています。^[5] しかし、必要なラジエーターの表面積は非常に大きいため、システムの質量は非常に大きくなります。液滴ラジエーター（LDR）は、排熱パワー対重量比の点で有利です。研究の結果、排熱温度が約700 K未満の場合は、LDRシステムが他の高度なラジエーターコンセプトよりも大幅に軽量であることがわかりました。LDRは、同様のサイズの従来のヒートパイプラジエーターよりも7倍軽量です。 ^[6] LDRは、重要な表面や風圧が少ないため隕石の衝突に対してより耐性があり、必要な貯蔵容積も少なくなります。そのため、LDRは高出力宇宙システム用の高度なラジエーターとして注目を集めています。

1978年、ジョン・M・ヘッジペスは、宇宙における放射線エネルギー変換、宇宙航空学の進歩第61巻、KW・ビルマン編（AIAA、ニューヨーク、1978年）、p.126の「宇宙電力のための超軽量構造」で、ダストラジエーターを使用して太陽光発電衛星のラジエーターの重量を軽減することを提案しました。このダストシステムの実際的な問題により、1979年にLDRコンセプトが生まれました。 ^[1] 世界中の企業、組織、大学で多数の研究が行われてきました。

実用的な実験は、例えばSTS-77 ^[5]や日本の落下シャフト（日本微小重力センター（JAMIC）と日本微小重力研究所^{[7]）で実施されました。}

液滴ラジエーター（LDR）システムは、液滴発生器、コレクター、熱交換器、再循環ポンプ、およびベローズ型圧力調整器（アキュムレーター）で構成されています。圧力が低下すると、飽和液体は小さな個別の液滴の連続ストリームとして宇宙に噴霧されます。液滴ストリームは、液滴発生器からコレクターまで空間を移動する液滴の列またはシートです。液滴は宇宙電力システムによって生成された廃熱を運び、飛行中に過渡放射熱伝達によってこの廃熱を直接宇宙に放射します。液滴はより低い温度で収集され、再加熱されて液滴発生器に送られ、熱力学的電力サイクルから廃熱を除去し続けるために再利用されます。

液滴が形成される圧力は用途によって大きく異なるが、液滴の流れが確立されると、液滴の流れを維持するために必要な圧力は大幅に低くなることがわかった。^[8]

宇宙船の廃熱は、最終的にはラジエーターの表面によって宇宙に放出されます。ラジエーターには、宇宙船の構造パネル、宇宙船の側面に取り付けられた平板ラジエーター、宇宙船が軌道に乗った後に展開されるパネル、液滴など、さまざまな形式があります。すべてのラジエーターは、表面からの赤外線(IR) 放射によって熱を放出します。放射電力は、表面の放射率と温度によって異なります。ラジエーターは、宇宙船の廃熱に加えて、環境または他の宇宙船の表面からの放射熱負荷の両方を放出する必要があります。 ^[9] そのため、ほとんどのラジエーターの表面仕上げには、熱放出を最大化するために IR 放射率が高い ( ε > 0.8) ように表面仕上げが施され、太陽からの熱負荷を制限するために太陽光吸収が低い ( α < 0.2) ように表面仕上げが施されています。効率とサイズ縮小の観点から、高温ラジエーターが好まれますが、流体特性と液滴雲特性も追加の要因です。液滴サイズの形成と液滴密度が、放出と再吸収を決定します。液滴ラジエーターで効果的な放射を得るには、より小さな液滴が不可欠です。直径1μmの液滴は2秒で500Kから252Kまで冷却されると計算されている。液滴シートの密集した雲は、放出された光の再吸収のために液滴の冷却速度を遅らせる。^[10]

一つの液滴は宇宙空間を移動する際に熱を放射し、この熱損失は次のように表される: ^[6]

${\displaystyle {\dot {q}}=(4\pi a^{2})\sigma FT^{4}}$

ここで、はシュテファン・ボルツマン定数、 は液滴の空間への熱損失率（ジュール/秒）、 は液滴の半径（メートル）、 はストリーム中心における液滴の平均灰体形態係数（1未満）、 は 任意の時点における液滴の絶対温度（ケルビン）です。 ${\displaystyle \sigma}$${\displaystyle {\dot {q}}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle F}$${\displaystyle T}$

この式は、液滴を一定の平均放射率を持つ灰色の物体としてモデル化します。瞬間放射率はエネルギー損失率に等しく、次の式が得られます。^[6]

${\displaystyle (4\pi a^{2})\sigma FT^{4}=-c\rho {\frac {4\pi a^{3}}{3}}{\frac {dT}{dt}}}$

ここで、は比熱容量、 は液滴の密度（kg/m ³）、 は液滴の通過時間（秒）です。 ${\displaystyle c}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle t}$

動作環境は、単にブラック スペースではなく、太陽 (​​星)、地球、その他の物体、または宇宙船自体の推進力から反射および放出される太陽放射と拡散放射がある環境です。液滴シートの端を外部熱源に向けることは可能ですが、シート領域は依然として他のソースからの放射の影響を受けます。提示されている放射伝達方程式の解のほとんどは、仮定を導入することで実際的に簡略化されています。

高い収集効率を達成するためには、コレクター表面への液滴の飛散を最小限に抑える必要があります。入射角 35 度の液滴コレクターは、微小重力条件下で、液滴直径 250 μm、速度 16 m/s の均一な液滴流の飛散を防ぐことができることが判明しました。^[7] もう 1 つの解決策は、コレクターの内面に液膜を形成することです。液滴流がこの液膜に吸収されると、飛散は発生しません。入射液滴のミスキャプチャ率は 10 ⁻⁶未満である必要がありました。液滴直径は 300 μm 未満、液滴速度は 20 m/s 未満と決定されました。^[11]強磁性流体を使用する 場合、磁気集束手段によって飛散を効果的に抑制できます。^[8]

^{液滴シートは自由落下するため、宇宙船が操縦または角加速を行うと冷却剤が失われます。磁気的に焦点を合わせた LDR でも、許容範囲は 10 −3}  g 未満と非常に限られています。

液滴発生器には、システムあたり直径50～20μmの穴（オリフィス）が約10 ⁵～10 ^{6個あります。 [12]} これらのオリフィスは、従来の固体ラジエーターやヒートパイプよりも損傷を受けやすく、液滴の形成や液滴の流れの方向に影響を与え、流体の損失を引き起こす可能性があります。

フラッシュ蒸発による蒸発損失を最小限に抑えるために、作動流体には蒸気圧の低い液体が好まれます。^[13] 300～900 K の範囲の液体は蒸気圧が非常に低いため、宇宙システムの通常の寿命（おそらく 30 年）中の蒸発損失はラジエーターの全質量のごく一部に過ぎないことがわかっています。 ^{[14] LDR 環境での流体の動作寿命は、}熱安定性、酸化安定性、および放射線に対する耐性 によって影響を受けます。^[15]

液体金属を冷却剤として使用する場合、液体のポンピングには電磁装置が使用されることがあります。この装置は金属に渦電流を誘導し、関連する磁場とともにローレンツ力を生成します。この効果により、液体金属のポンピングが行われ、可動部品のない簡素化された設計が実現します。これはMHDポンピングとして知られています。^[16] たとえば、鉱油と鉄粉の単純な混合物は、磁場の存在下で鉄粉と油が分離するまでの数秒間、適切な強磁性流体に近似することが確認されています。液滴サイズが約 200  μmの場合、表面張力により、最大約 1 g の加速度で 2 つの成分が保持されます。^[8]

イオン性流体を冷却剤として使用すれば、異なる速度で移動する宇宙船間の運動量伝達に流体を使用できる。流体をその場で合成できる可能性がある。例えば、BMIM-BF4 ( [C ₈ H ₁₅ N ₂ ] ⁺ BF ₄ ⁻ ) は質量比で 42.5% の炭素を含む。月の表土には通常、炭素を含む化合物がいくつか含まれており、小惑星の約 5% は炭素質コンドライトで、炭素のほか金属や水も豊富に含まれている。月で炭素を採掘し、他の元素と組み合わせてイオン性流体を生成できる可能性がある。炭素の別の良い供給源は、火星最大の衛星フォボスで、炭素が豊富だと考えられている捕獲された小惑星である。^[17]

液滴収集方式には、遠心分離方式と線形収集方式の2種類があります。線形収集方式は、よりシンプルで信頼性が高く、軽量であると考えられています。^[1]

いくつかの異なるLDR構成が提案され、評価されている。^{[1] [18]}

• スパイラルLDRは、同じ角速度で回転する発電機とコレクターを採用しています。このコンセプトは、コレクターの不要な回転のために、より複雑であると考えられていました。^[18]
• 密閉型ディスクLDRには、液滴のディスクを作成するための液滴ジェネレータが中央に含まれています。コレクターのみが回転します。ラジエーター全体は透明なシュラウドで囲まれており、誤った液滴による宇宙船の汚染を最小限に抑えます。このコンセプトは、コレクターの不要な回転のためにより複雑であると考えられていました。^[18]
• 環状LDRは回転コレクターを利用して環状ジェネレーターから環状シート状の液滴を捕捉する。環状LDRは放射性能が悪く、シート自体が他の構成の液滴シートよりも放射量が多い。^[18]
• LDRのいくつかの提案されたバリエーションは、インクジェットプリンタのように電界を利用して液滴の軌道を制御します。静電熱（エネルギー）ラジエーター（ETHER）は、本質的にはLDRの提案されたバリエーションです。液滴は帯電しており、液滴の電荷と反対の宇宙船の電荷と相まって、液滴はわずかに楕円形の軌道を実行します。この閉じた軌道により、システム全体のサイズが縮小されます。このコンセプトでは、液滴とプラズマの相互作用に関する懸念が生じます。さらに、低地球軌道では、宇宙船は独自の電位を獲得します。^[18]

LDR の長方形バージョンと三角形バージョンが最も多く研究されてきました。

• 長方形のLDRは、液滴発生器と同じ幅の直線状のコレクターを採用しています。コレクターは両面式で、反対方向に移動する2つの液滴シートが1つのコレクターに衝突します。別のバリエーションでは、ジェネレーターと液滴シートが1つだけの片面コレクターを使用します。長方形のLDRでは、液滴シートは集束せず、液滴数密度は飛行経路に沿って一定に保たれます。これは、最大の放射面積を持つ最もシンプルなLDR設計です。^[18]
• 三角形LDR のコンセプトでは、液滴生成器を使用して、液滴の収束するストリーム アレイ (シート) を形成します。液滴シートの収束点にあるコレクターは、遠心力を利用して液滴を捕らえます。三角形 LDR は、コレクターが小さいため、本質的に質量が小さくなります。システム研究によると、三角形 LDR は長方形 LDR よりも質量が 40% 小さくなる可能性があります。ただし、同等のサイズの場合、三角形 LDR は長方形シートの半分の面積しかないため、熱を逃がす量が少なくなります。現在、ピトー管ピックアップの使用が、初期の複雑な回転シールに取って代わりました。集中した液滴シートでの衝突により、衝突した液滴が合体します。三角形 LDR は現在、より広範囲に開発されています。^{[1] [18]}
• 磁気的に集束する LDR は、磁場を利用して、ジェネレータからコレクターに向かう液滴の流れを集束させます。これにより、一部の流れがジェネレーターを離れるときに誤った方向に向く場合でも、基本的にすべての液滴が捕捉されることが保証されます。磁気集束手段は、液滴がコレクターに衝突したときに液体が飛び散るのを抑えるのにも効果的です。磁気的に集束する LDR は、エネルギー省の助成金(契約 DE-AC02-76CH00016) を受けて、ブルックヘブン国立研究所(BNL) によって調査され、特許を取得しました。磁気手段は、トロイダル形状の電磁石または永久磁石を使用して実現できます。1 つの永久磁石では液滴シートの片側のみが集束されるため、コレクターに隣接して偶数の永久磁石を互いに交差させて配置する必要があります。永久双極子磁石は磁場の強度が限られているため、ラジエーターのサイズが制限されます。電磁石または (極低温冷却された) 超伝導磁石は、より高い磁場強度を提供しますが、質量とのトレードオフがある場合があります。計算から導き出された主要な結論は、宇宙船は10 ⁻³ g未満の加速度で操縦できるということである。より高い加速度には、合計すると質量は大きくなるが、生き残る可能性がより高い、より小さなLDRが多数必要となる。^[8]

LDRは、接近する宇宙船と他の宇宙船、宇宙ステーション、または月面基地との間の運動量の伝達に流体の流れを使用するという概念の副産物として研究されています。この方法は、宇宙船の質量を減らしながら宇宙飛行の効率を高めることができます。^[15]

惑星表面に適応した液体シートラジエーター（LRS）は、本質的には透明な外被に囲まれた噴水です。液体はこの外被の内側を流れ落ちます。液体シートラジエーターのコンセプトは非常に安定しており、その性能を発揮するためにオリフィスに特別な機械加工を施す必要はありません。^[19]

• 蒸発冷却器
• プロジェクトヴァルキリー