Как SpaceX планирует бороться с кипением во время полета на Марс?

Это действительно хороший вопрос, и ответ на него, вероятно, не известен на 100% даже в SpaceX.

Несомненно, у них будет какое-то активное охлаждение, чтобы свести к минимуму выкипание.

Структурно есть трюки, которые они могут сыграть. Например, посадочное топливо хранится в меньшем баке, который погружен в основной бак. Таким образом, площадь поверхности для прогрева значительно уменьшается.

Вы можете видеть это на этом изображении из дизайна ITS 2017 года:

В секции, помеченной как Топливные баки, внутри находится меньший набор баков.

Вместо небольшого количества топлива на дне бака (или, может быть, плавающего по всему нему во время транспортировки) у них будет небольшое количество топлива в маленьком баке внутри другого бака, который охлаждался топливом/окислителем. там раньше (плюс все, что осталось).

Я ожидаю, что мы увидим много изменений в конструкции до первого полета по этой и многим другим причинам.

Я думаю, что наиболее важным фактором предотвращения выкипания является отказ от использования водорода.

Температура кипения выбранных топлив при атмосферном давлении следующая:

Космос — место перепадов температур: жарко на солнце, но довольно холодно в тени. Википедия дает минимальную (предположительно ночную) температуру на лунном экваторе 100 К, а в некоторых полярных кратерах 35 К. Эти данные о температуре предполагают, что теоретически возможно поддерживать беспилотный космический корабль при температуре около 100 К с помощью простого солнцезащитного козырька , что позволит метану оставаться жидким в течение неопределенного времени при давлении чуть ниже земного атмосферного, а кислороду при давлении чуть выше земного атмосферного.

Водород традиционно считается лучшим топливом верхней ступени, несмотря на то, что для него требуются большие баки из-за его низкой плотности из-за достигаемого им исключительного удельного импульса. Было бы проще производить водородное топливо на Марсе, чем метан, поскольку для этого потребовался бы только электролизер воды без дополнительной стадии процесса Сабатье для преобразования водорода и углекислого газа в метан. Но после краткого рассмотрения водорода на самых ранних этапах разработки двигателя Raptor SpaceX быстро отказалась от него, и я подозреваю, что главной проблемой было выкипание во время длительных миссий.

Помимо отказа от использования водорода, я сомневаюсь, что SpaceX еще много думала о том, как избежать испарения в марсианских миссиях. Хотя приведенные выше цифры показывают, что теоретически возможно поддерживать выбранное топливо жидким без активной системы, необходимо учитывать множество факторов, и я полагаю, что некоторые активные системы потребуются. Полностью пассивная система, вероятно, потребует, чтобы судно было направлено прямо к Солнцу или от него, чтобы уменьшить диаметр солнцезащитного козырька до 9 м, и это может быть неприемлемо. Кроме того, в помещении экипажа должно быть значительно теплее, чем в топливных баках, и через них может просачиваться некоторое количество тепла. Как отметил Джефф в своем ответе,

Обратите внимание, что космический телескоп Джеймса Уэбба будет расположен на гало-орбите вокруг точки Лагранжа Земля-Солнце и будет поддерживать температуру 50 К, по-видимому, используя только пассивный солнцезащитный козырек.

Жидкости кипят, когда давление их паров превышает давление окружающей среды. Конструкция баков Starship ограничивает давление окружающей среды до 6 бар. Следовательно, чтобы предотвратить кипение, вы должны охлаждать до температуры ниже -170 °C (для O ₂ ) и -145 °C (для метана).

Когда Starship заправляется на околоземной орбите, топливо может быть переохлаждено, но не ниже -182 ° C, поскольку это точка замерзания метана. Чтобы предотвратить выкипание, метан должен поддерживаться при температуре от -182 ° C до -145 ° C на протяжении всего рейса. Эквивалентные числа для O ₂ равны -219 °C и -170 °C. Если два резервуара находятся в тепловом равновесии, диапазон составляет от -182 ° C до -170 ° C, чтобы оба оставались жидкими.

Если не регулировать, будут ли танки нагреваться или остывать во время полета на Марс? У Брайла Рейеса в https://www.academia.edu/934756/Thermal_Control_Handbook есть интересная концепция: стандартная 1-метровая сфера черного тела с коэффициентом поглощения = 1,0, находящаяся в тепловом равновесии с пространством. Если сфера находится на расстоянии 1 а.е. от Солнца, равновесная температура составляет +6 °C. На расстоянии Марса температура составляет -47 °C. Неудивительно, что эти температуры близки к соответствующим средним планетарным температурам.

Итак, если мы обрызгаем Starship краской для барбекю и закрутим его с осью, перпендикулярной эклиптике, его температура приблизится к этим равновесным температурам. В течение всего путешествия температура кожи будет снижаться, а температура в баке – повышаться. Черному звездолету BBQ потребуется охлаждение для поддержания температуры бака в «Зоне Златовласки».

Конечно, Starship не черный для барбекю. Теплозащитный экран обладает высокой поглощающей способностью и высокой изоляцией. Блестящая сторона имеет более низкую поглощающую способность, но неизолирована. Это похоже на спальный мешок, одна сторона которого сделана из космического одеяла, а другая — из черного пушистого овечьего флиса. Ложитесь слишком близко к горячему костру очень холодной ночью, и вы столкнетесь с той же дилеммой, что и Starship. Если вы повернете утепленную сторону к огню, изоляция защитит вас от перегрева, и вы заморозите свои булочки с другой стороны. Перевернитесь, и вы снова согреетесь.

Скорее всего, это то, что будет делать Starship: использовать контроль ориентации для пассивной терморегуляции, чтобы поддерживать температуру резервуара в зоне Златовласки.

Есть и другие приемы: для черных тел коэффициент поглощения = коэффициент излучения = 1,0 при всех температурах. Реальные материалы имеют разные коэффициенты излучения при разных температурах. На этом графике показаны профили коэффициента излучения для полированной стали SA508 и при 3 различных обработках окислением. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017325802

Солнечные батареи могут выполнять двойную функцию в качестве зонтиков от солнца. Повернув нос к солнцу, можно нагреть полезную нагрузку и затенить танки.

Если необходимо активное охлаждение, жидкий CH ₄ или O ₂ можно циркулировать через радиатор на затененной стороне, где он может излучаться в пустоту, пытаясь уравновесить температуру микроволнового фона. Если бы звездолет был повернут носом к солнцу, метан можно было бы прокачивать через колокола «Рапторов» в качестве радиаторов. Содержимое бака можно охлаждать, пока полезная нагрузка нагревается на солнце на другом конце звездолета.