汽車、飛機、輪船……無論使用哪種交通工具進行長途旅行，都離不開中途加油。在太空中，燃料補給同樣至關重要。以載人火星任務為例，其所需的燃料總量遠超單枚最大火箭的運載能力，必須在近地軌道進行多次燃料加注。

然而，燃料一旦進入太空，便會面臨嚴峻挑戰(zhàn)：太陽輻射的熱量會導致燃料蒸發(fā)。為了最大限度減少這種寶貴資源的損失，科學家們正在測試一種革命性的零蒸發(fā)燃料罐（ZeroBoil-Off,ZBO），它搭載了先進的兩級主動降溫系統(tǒng)。

01

液氫儲存的太空困境

太空真空環(huán)境溫度可低至零下270℃，但要維持燃料罐的低溫卻異常困難。當陽光直射罐體時，由于缺乏空氣對流散熱，熱量極易積聚。即使采用最復雜的被動隔熱系統(tǒng)（如多層鍍鋁聚酯膜），也難以完全阻止溫度上升。

液氫（沸點-252℃）和液氧（沸點-183℃）是航天器最常用的推進劑。在陽光照射下，液氫極易沸騰汽化。不斷產(chǎn)生的氫氣以及持續(xù)積累的熱量，最終會使燃料罐內(nèi)壓力逼近臨界點。

為避免壓力過高引發(fā)危險，工程師通常會將燃料罐設計得比實際需求更大，為氣體預留空間。對于長期任務，則不得不定期進行“排氣”操作，主動釋放多余氣體。

但在失重環(huán)境下，簡單的排氣也變得極為復雜。氫氣以氣泡形式懸浮在液氫中，而非像在地球上那樣分層。執(zhí)行排氣前，必須施加微小推力使推進劑沉底，通常需要啟動小推力的霍爾發(fā)動機而非主發(fā)動機。

零蒸發(fā)燃料罐的低溫系統(tǒng)正在做地面測試

這種排氣造成的燃料浪費絕非小數(shù)。據(jù)測算，使用現(xiàn)有被動隔熱儲罐，一年內(nèi)蒸發(fā)損失的燃料量，可能相當于一次火星任務所需燃料的一半。而人類往返火星至少需要三年——這意味著，當前的太空燃料儲存技術，尚無法支撐載人火星之旅。升級為少蒸發(fā)（ReducedBoil-Off，RBO）或零蒸發(fā)（ZBO）系統(tǒng)勢在必行。

在失重狀態(tài)下，氣泡可以停留在水中

02

零蒸發(fā)燃料罐

主動出擊保燃料

近期，太空工程師成功測試了新型零蒸發(fā)燃料罐系統(tǒng)。它融合了多種主動技術，旨在徹底鎖住燃料：

01

推進劑噴射混合技術

將部分液態(tài)燃料以特定方式噴射回蒸汽空間，精準控制氣液界面的相變過程，能有效抑制燃料繼續(xù)汽化。

02

液滴注入技術

通過特制噴桿，將低溫燃料液滴直接噴射到蒸汽區(qū)域，促使蒸汽重新凝結成液體。

03

微重力挑戰(zhàn)

液滴形成和混合行為在失重下與地面截然不同。為此，國際空間站早在2017年就進行了超過30次ZBOT-1（零蒸發(fā)-1）實驗，專門收集微重力下的氣液混合數(shù)據(jù)。后續(xù)ZBOT-NC（研究不凝氣體影響）和ZBOT-DP（研究液滴相變）實驗將進一步深化認知。

國際空間站ZBOT-1實驗

04

罐上管制冷系統(tǒng)

這是系統(tǒng)的核心。工程師在燃料罐與外部鋁制隔熱層之間纏繞了兩層冷凝管道，將整個儲罐變成了一個“太空冰箱”。

在內(nèi)層管道循環(huán)零下253℃的超低溫氦氣（略低于液氫沸點），直接維持罐內(nèi)核心低溫。

在外層管道循環(huán)零下183℃的氦氣，隔絕外部高溫侵入。

這些循環(huán)的氦氣將吸收的熱量輸送至散熱器，最終以紅外輻射的形式將熱量直接排放到寒冷的深空中，實現(xiàn)高效散熱。

正在吊裝零蒸發(fā)燃料罐

（位于馬歇爾太空飛行中心）

當零蒸發(fā)燃料罐技術成功，意味著人類有望真正鎖住遠征星辰大海的“生命線”。它解決的不僅是燃料逃逸的難題，更是為深空探索——尤其是載人火星任務——掃除了一道關鍵障礙。

>End

本文轉載自“壹零社”，原標題《火箭燃料“逃逸”，中國“太空冰箱”出手解決》。

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