在太空中航行的载人飞船需要高效可靠的生命支持系统，例如二氧化碳去除组件(CDRAs)。设计不良的系统会缩短任务时间，并造成潜在的危险。然而，由于CDRA系统的复杂性，模拟CDRA系统可能非常耗时且困难。为了应对这些挑战，NASA马歇尔太空飞行中心的一个团队在COMSOL Multiphysics®软件中开发了一个1D模型，以有效地分析CDRA系统的4床分子筛(4BMS)。
推进下一代太空旅行
在美国宇航局的马歇尔太空飞行中心，研究人员正在探索恒星，毫不夸张地说。作为先进探索系统(AES)计划的参与者，他们寻求推进新技术，使未来的太空任务能够超越地球轨道。
该组织参与了生命支持系统项目(LSSP)，该项目是NASA AES计划的一部分。该项目的目标是延长机组人员任务的持续时间，提高可靠性，降低风险，并解决生命支持系统方面的技术差距。LSSP和AES都直接来源于国际空间站(ISS)的架构。
国际空间站。图片由美国宇航局戈达德太空飞行中心提供。下许可Cc 2.0通过Flickr知识共享．
当谈到载人飞船时，成功的太空旅行所需要的一个要素是高效可靠的二氧化碳去除组件(CDRA)系统。由于这些系统直接影响船员的健康和福祉，因此优化其设计非常重要。然而，说起来容易做起来难。物理测试需要大量的时间和精力，并且由于CDRA系统固有的复杂性，模拟研究可能会遇到障碍。这些挑战促使工程师探索系统开发的新方法。
为了补充测试并避免过于复杂的模拟，美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究人员使用COMSOL Multiphysics创建了一个4层分子筛(4BMS)的一维模型，这是国际空间站CDRA系统的一个组成部分。他们的目标是:确定问题区域，希望最终优化CDRA 4BMS系统。
四层分子筛的动力学研究
让我们首先仔细研究一下本研究中分析的CDRA 4BMS系统。大气再生系统中气体分离的主要方法是在颗粒状吸附剂填充床中吸收。如下图所示，该系统的工作原理是首先将舱内空气通过吸收空气中的水蒸气的干燥剂床。然后，冷却器和鼓风机对干燥空气进行预处理，然后将其通过吸附床以去除二氧化碳。当气流进入第二个脱吸床或干燥剂床时，水蒸气被添加回来，空气被返回客舱。
CDRA 4BMS系统示意图。图片由R. Coker和J. Knox拍摄COMSOL会议介绍．
当上述过程发生时，在4BMS中还发生了另一个过程。第二个吸附剂床一端关闭，另一端加热，从床中释放二氧化碳。接下来是10分钟的空气保存模式，有助于恢复吸附床中捕获的大部分空气。在此之后，床被排到太空中。
本节强调的整个序列称为半周期，持续约155分钟。在接下来的半周期中，两个吸收层转化为解吸层，反之亦然。
利用COMSOL Multiphysics建立4BMS的一维预测模型
正如你所看到的，CDRA 4BMS是一个复杂的系统。然而，在这里，预测一维模型足够精确，可以帮助设计系统的干燥剂床。尽管该系统的吸附床不是圆柱形的，而且加热器可能会产生复杂的多维流动路径，但研究人员观察到空气在通道中相对均匀地流动。这促使他们使用一维近似来研究地层，创建一个完全耦合的模型来求解浓度、压力和温度。
在他们的研究中，研究人员模拟了两种浓缩山梨酸的运输，二氧化碳和水，在空气中。这种混合物流经四个相连的吸附剂颗粒床。从上游床中计算出的CO2和H2O的出水质量分数被用作下一个下游床的输入。二氧化碳床采用加热器辅助真空解吸模型，传热涉及气体、多孔介质、固体外壳和隔热罐。此外，研究人员使用分布式pde和Toth等温线来确定吸收率和颗粒装载量。
下图显示了4BMS模型的理想原理图。在这里，我们可以看到，团队只模拟了玻璃珠和含有吸附剂的床的部分。在他们的模型中，除了H2O和CO2的吸附和解吸能力为零之外，研究人员以与吸附剂层相同的方式处理玻璃珠层。
理想化的4BMS模型。图片由R. Coker和J. Knox拍摄提交COMSOL会议论文．
为了验证他们的模型，研究小组使用了国际空间站CDRA 4BMS地面测试。重要的是要注意，一些输入，包括总吸附剂质量，绝热程度和床上的压降，是未知的。此外，为了更快地获得结果并增加数值稳定性，初始床层加载条件被设置为接近预期的最终结果。
4BMS多物理场模型分析
下面的一系列图表比较了吸附床温度和二氧化碳分压的模拟结果与实验数据。总的来说，实验系统收敛得相当快，图表中的数据是从测试的第四个半周期生成的。
当绘制热电偶(TC)位置的温度基线数据和COMSOL Multiphysics模型(如下图所示)时，研究人员注意到，尽管他们的模型在吸附过程中的冷却速度略快，但它与解吸过程中的数据相当吻合。这可能是由于一维模型有一个大而简单的几何结构，并使用了一种特别的方法来包括鳍。
比较吸附剂温度和时间的图。图片由R. Coker和J. Knox拍摄提交COMSOL会议论文．
下一步是比较干燥剂床流入和流出处二氧化碳的分压。如下图所示，模拟和实验结果在半周期开始时都有一个尖峰。该图进一步表明，在半循环结束时，吸附剂床完全突破。然而，这是很好的，因为一个完整的吸附床在解吸过程中最大限度地提高了二氧化碳的去除效率。
CO比较图2分压和时间。图片由R. Coker和J. Knox拍摄提交COMSOL会议论文．
设计新一代CDRA 4BMS系统
美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究人员成功地创建了一个全功能的4BMS模型，可用于整个国际空间站CDRA 4BMS系统的预测建模。展望未来，该团队指出，他们的一维模型显示出预测这种系统行为的良好能力，从而定位4BMS中任何潜在的问题区域。例如，他们已经用它来寻找吸附剂床中意外的热泄漏，并预测干燥剂床的突破行为。
该计划最终将针对其他CDRA-4EU数据集验证该模型。在此之后，研究人员可以将其作为指导下一代CDRA 4BMS系统设计过程的资源，以及优化国际空间站上的大气振兴系统。
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美国国家航空航天局(NASA)不认可COMSOL Multiphysics®软件。
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