你可能已经猜到了，我们在 Hackaday 上收集到了很多非常有趣的项目建议。大多数项目都相当严肃，至少在它们旨在以新颖巧妙的方式解决特定问题方面是如此。不过，也有一些项目则轻松一些，比如今年五月在建议热线上遇到的一个有趣的项目。这个项目被巧妙地命名为“ pISSStream ”，它利用 NASA 为国际空间站提供的官方公共遥测数据流来显示空间站尿液罐的当前液位。
现在，当这样的项目摆到你的办公桌上时，你可能会有几种反应。首先，也是最重要的，是感到困惑，居然有人会花时间和精力在这样的项目上——当然，我们并非不欣赏它；光是图标就值回票价了。其次，你会惊讶于 NASA 竟然在其公共 API 中提供了访问此类参数的权限，紧随其后的是，你很想看看他们还有哪些其他酷炫的接口。
但就我而言，看到这个项目时，我首先想到的是：“他们怎么测量太空中的液位？” 在一个“上”和“下”实际上没有任何实际意义的地方，液体测量的工程挑战一定相当有趣。这让我进入了低重力过程工程的“兔子洞”，这个领域需要你掌握所有关于流体行为的知识，然后将其冲进太空马桶。
这是怎么回事？
在考虑测量太空液位的方法之前，你真的必须摒弃“液位”的概念。对于任何一生都待在重力井底部的人来说，这都很难做到。在重力井中，重力矢量始终垂直向下，重力加速度为1g ，流体总是会自行趋向于自身的液位，即使是密度最大的物质最终也会沉到容器底部。然而，这些都不适用于太空，因为在太空中，表面张力和毛细作用才是决定流体行为的主要因素。
我们都看过航天飞机或国际空间站上的宇航员们玩耍的视频，他们从饮水袋中倒出一点水，水漂浮在一个摇晃的球体上，直到被吸管吸起来。这就是表面张力的作用，迫使液体在给定体积下达到最小的表面积。在没有加速度矢量的情况下，流体在航天器油箱内也会发生同样的情况。在阿波罗计划时期，美国宇航局使用摄像机进入土星火箭的燃料箱，以了解飞行过程中的流体流动。这些影片显示，发动机燃烧时燃料液位迅速下降，但自由落体后，剩余的燃料会迅速涌入，将整个油箱填满，形成一滴滴漂浮的液体。如今，SpaceX 也对他们的火箭进行同样的操作，并取得了同样令人印象深刻的成果——抱歉，配乐不好。
因此，将推进剂送至火箭燃料箱出口并非难事，至少对于助推器而言如此，因为加速度矢量几乎总是指向燃料箱的标称底部，也就是出口所在的位置。对于不可重复使用的火箭，发动机关闭后剩余燃料是否漂浮并不重要，因为它和助推器会在重返大气层时燃烧殆尽，或者最终沉入海底。但对于可重复使用的助推器，或者需要在自由落体一段时间后重新启动的火箭，燃料和氧化剂需要重新沉入燃料箱，发动机才能再次使用它们。
空距马达、簿记和顺势而为
土星1B型火箭的空隙发动机。这类发动机能够提供一定的加速度，使推进剂沉降到燃料箱的标称底部。来源： Clemens Vasters ，CC BY 2.0。
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沉降推进剂至少需要沿正确方向获得一点加速，这由专用的空距发动机提供。空距通常是指封闭容器中的空余空间，而空距发动机用于将罐内气体和液体的混合物合并成一个整体。例如，在阿波罗时代的土星五号火箭上，上面两级使用了多达十几台固体燃料空距发动机来沉降推进剂。
考虑到将液体推进剂压到燃料箱底部需要付出的巨大努力（至少在大多数情况下），您可能会认为添加某种液位测量传感器（例如，在燃料箱的标称顶部安装超声波传感器）来测量发动机燃烧时到快速下降的液面的距离会非常简单。但在实践中，几乎不需要感测燃料箱中剩余的推进剂体积。相反，可以通过发动机供油管路中的流量传感器推断出燃料箱中剩余的燃料。如果您知道流量和起始体积，则计算剩余燃料就足够了。SpaceX 似乎在其助推器中使用了这种方法，尽管他们没有向公众透露有关其火箭设计的很多细节。对于土星五号火箭的第一级土星 S-1C 来说，方法甚至更简单 – 他们只需在燃料箱中填充已知体积的推进剂，然后燃烧直至基本空为止。
一般来说，这被称为簿记或流量核算方法。这种方法的缺点是流量测量中的误差会随着时间的推移而加剧，但对于可以内置一些工程回旋余地的应用来说，它仍然足够好。事实上，这是用来监测国际空间站尿液罐液位的方法，只不过是反过来的。在补给任务中，当水箱被清空时，容量重置为零，并且空间站上三个废物和卫生隔间 (WHC) 中的每次操作都会导致大约 350 毫升到 450 毫升液体（尿液、一些冲洗水和少量液体预处理剂）流入尿液储存罐。通过跟踪冲洗次数并测量预处理尿液流出尿液处理组件 (UPA)（将尿液回收成饮用水）的量，可以估算出水箱的液位。
太空中的哈巴狗
阿波罗指令舱的推进剂利用率测量子系统 (PUGS) 显示屏。这是早期版本，以磅为单位显示燃料和氧化剂的总量，而不是显示剩余百分比。该表盘指示燃料和氧化剂流量是否失衡。来源： Steve Jurvetson ，CC BY 2.0。
在空间站监测尿液可能很重要，但在载人飞行过程中追踪推进剂的残留则事关生死。在阿波罗任务期间，人们采用了多种测量方法来测量燃料和氧化剂的残留量，其中大多数依赖于燃料箱内的电容探头。阿波罗服务舱的推进系统使用了推进剂利用率测量子系统（PUGS）来追踪舱内燃料和氧化剂的残留量。
推进剂系统 (PUGS) 主要依靠轴向安装在油箱内的电容式探头。对于燃料箱，传感器是一个密封的派热克斯管，内部镀银。玻璃充当银涂层和导电的 Aerozine 50 燃料之间的电介质。在氧化剂箱中，抑制的四氧化二氮充当电介质，填充同心电极之间的空间。一旦通过空隙燃烧稳定下来，就可以通过测量探头两端的电容来确定推进剂的液位，电容会随着液位的变化而变化。每个探头沿其长度方向还有一系列点接触。测量触点两端的阻抗可以显示哪些点被推进剂覆盖，哪些点没有被覆盖，从而提供较低分辨率的读数，作为主要电容式传感器的备用读数。
对于登月舱，下降阶段的推进剂液位由类似但更简单的推进剂量测量系统 (PQGS) 监测。除了初始空隙燃烧外，由于月球重力作用，下降过程中无需燃料沉降。登月舱也使用与服务舱相同的推进剂，因此 PQGS 电容式探头与 PUGS 探头相同，只是没有基于阻抗的辅助传感器。PQGS 电容式读数用于计算剩余燃料和氧化剂的百分比，并以数字方式显示在登月舱控制面板上。
早期阿波罗登月任务中，PQGS 探测器由于燃料箱内部晃动，导致剩余推进剂读数错误。这一缺陷因阿波罗 11 号着陆时任务控制中心惊心动魄地喊出燃料剩余秒数而出名。阿波罗 12 号之后，这个问题通过在 PQGS 探测器上加装新的防晃动挡板得到解决。
数泡泡
对于载人飞行来说，燃烧空舱燃料以沉淀燃料并精确测量油箱液位是合理的。但对于卫星和深空探测器来说，情况并非如此，因为它们需要耗费巨资才能进入轨道。这些航天器只能携带有限量的推进剂用于机动和空间保持，这些推进剂必须维持数月甚至数年，而将如此宝贵的燃料配额浪费在空舱燃料上是行不通的。
为了解决这个问题，工程师们设计了一些巧妙的方法来估算微重力条件下储罐中推进剂或其他液体的量。压力-体积-温度（PVT）方法可以根据储罐内压力和温度传感器的测量值以及理想气体定律来估算剩余的液体体积。与流量核算方法一样，PVT方法的精度也会随着时间的推移而降低，主要是因为压力传感器的分辨率会随着压力的降低而变差。
对于某些流体，可以采用热计量法。这是 PVT 方法的一种变体，该方法涉及向储罐加热，同时监测其内容物的压力和温度。如果已知过程流体的热特性，则可以推断出剩余体积。缺点是需要一个良好的储罐及其环境热模型；例如，在测量过程中，如果未考虑太阳辐射产生的热量，或者由于通过航天器结构传导到太空而损失的热量，这种方法就无法奏效。
ECVT 示意图，可用于测量自由落体状态下漂浮在容器中的流体体积。电极对之间的电容取决于它们之间气体和液体的总介电常数。扫描所有电极组合可获得容器内物质的分布图。来源： Marashdeh ，CC BY-SA 4.0。
为了提高精度，微重力储罐计量的最新进展是电容体积传感 (ECVS) 及其密切相关的电容体积层析成像 (ECVT)。这两种方法都使用储罐内表面的电极阵列。储罐中的混合相流体充当电介质，允许测量任意一对电极之间的电容。收集每个电极组合的读数，这些读数可用于构建储罐内流体位置图。这对于液体漂浮在离散球体中的储罐尤其有用。可以计算每个液滴的体积，并将其加总，以得出储罐中的液体量。
一种很有前景的测量方法是射频质量测量法（RFMG），尤其适用于深空任务。该方法使用小型天线将射频信号注入储罐。储罐内的液体会反射这些信号；分析这些反射的频谱可用于计算储罐内的液体量。RFMG 在搭载 Intuitive Machines 公司的 IM-1 着陆器前往月球之前，曾在国际空间站进行过测试。IM-1 着陆器于 2024 年 2 月轻轻着陆在月球表面，但随后侧翻。幸运的是，RFMG 系统与着陆异常无关；事实上，当温度传感器指示储罐温度低于预期（可能表明存在泄漏）时，该传感器对于确定着陆器中低温燃料液位是否正确至关重要。
原文： https://hackaday.com/2025/08/26/where-there-is-no-down-measuring-liquid-levels-in-space/