Aparte de He y N como gases presurizantes

Para presurizar los tanques de combustible líquido, el helio es el más utilizado y, después, el nitrógeno. El helio es bastante costoso y el nitrógeno es económico, pero interfiere con la relación O/F del motor ( ref ). Entonces, excepto estos dos, también tenemos otros gases inertes como Argon, Xenon, etc.

Nota: Aquí no se considera la autopresurización.

¿Por qué no se utilizan otros gases además del helio y el nitrógeno para presurizar los tanques de combustible líquido de los cohetes?

El hidrógeno y el oxígeno también se utilizan en sistemas autógenos. space.stackexchange.com/questions/6323/…
@OrganicMarble, entiendo que podemos autopresurizarnos, pero he llegado a conocer algunos problemas al hacer lo mismo, como el parpadeo de los propulsores. Entonces, si estamos considerando que no nos autopresurizamos, entonces todos los gases que no sean He y N
Lo autógeno no es necesariamente autopresurizante. Algunos sistemas (como el Shuttle) calientan los propelentes en el motor y los envían de regreso al tanque.

Respuestas (2)

Un buen gas de presurización debe satisfacer algunas propiedades básicas:

  • debe permanecer gaseoso a las temperaturas y presiones a las que se almacenan el combustible y el oxidante, para que no se condense cuando se inyecte en los tanques;
  • debe ser lo suficientemente inerte para que sea seguro mezclarlo tanto con el combustible como con el oxidante (ya que si de todos modos va a tener dos gases de presurización diferentes, también podría usar el combustible y el oxidante);
  • también debería ser seguro almacenarlo a alta presión, por razones obvias; y
  • debe tener una masa molecular bastante baja, ya que eso se traduce directamente en menos masa para una presión y un volumen dados.

Da la casualidad de que no hay tantos gases que satisfagan todos esos criterios. De hecho, para empezar, no hay tantos gases con masas moleculares bajas, ya que solo pueden consistir en una pequeña cantidad de átomos en lo alto de la tabla periódica , y la mayoría de las formas de unirlos en una molécula estable terminan fallando uno o más de los otros criterios. Específicamente, yendo más o menos en orden ascendente por masa molecular, tenemos:

Periodo 1:

  • hidrógeno (H 2 ): el más ligero de todos los gases, buen combustible para cohetes, muy inflamable y peligroso para mezclar con oxidante;
  • helio (He) : segundo más ligero de todos los gases, moderadamente caro, gas noble → muy seguro e inerte, buen gas presurizador ;

Átomo de período único 2 (+ hidrógeno):

  • metano (CH 4 ): también es un buen combustible para cohetes, también es muy inflamable y no es seguro mezclarlo con oxidante;
  • amoníaco (NH 3 ): se condensa fácilmente, lo que lo hace inadecuado para combustibles criogénicos o de alta presión, y tampoco es seguro mezclarlo con oxidantes;
  • agua (H 2 O): barata, segura y bastante inerte, pero el hecho de que sea líquida a temperatura ambiente la hace prácticamente inútil para la presurización;
  • fluoruro de hidrógeno (HF): altamente corrosivo y tóxico, inseguro para almacenar y manipular;
  • neón (Ne): también un gas noble como el helio, sería un gas de presurización perfectamente bueno excepto que es más pesado y más caro que el helio, por lo que no hay razón para elegirlo;

Dos átomos del período 2 (+ hidrógeno):

  • diborano (B 2 H 6 ): altamente reactivo, se enciende espontáneamente en el aire, considerado como combustible para cohetes en la década de 1950 pero considerado demasiado caro y peligroso de manejar;
  • acetileno (C 2 H 2 ), etileno (C 2 H 4 ) y etano (C 2 H 6 ): todos inflamables y peligrosos para mezclar con oxidantes (los dos primeros también son químicamente inestables cuando se almacenan bajo presión);
  • borazano / borano de amoníaco (H 3 BNH 3 ): sólido (!) a temperatura ambiente, polimeriza y libera hidrógeno al calentarse, probablemente no sea seguro mezclarlo con oxidante incluso si pudiera;
  • cianuro de hidrógeno (HCN): tóxico, inflamable, peligroso para mezclar con oxidante, líquido a temperatura ambiente;
  • formaldehído (H 2 CO): tóxico, inflamable, inseguro para mezclar con oxidante, polimeriza bajo presión;
  • fluorometano : (H 3 CF): se licua fácilmente, es inflamable, no es seguro mezclarlo con oxidante;
  • nitrógeno (N 2 ) : bastante inerte, más barato que el helio, seguro para mezclar con la mayoría de los combustibles y oxidantes, buen gas presurizador ;
  • hidracina (N 2 H 4 ): tóxico, buen combustible para cohetes o monopropulsor, inseguro para mezclar con oxidante;
  • monóxido de carbono (CO): tóxico, inflamable, no es seguro mezclarlo con oxidante;
  • óxido nítrico (NO): más pesado que el nitrógeno, reactivo, probablemente no sea seguro mezclarlo con combustible u oxidante;
  • oxígeno (O 2 ): buen oxidante, no es seguro mezclarlo con combustible;
  • peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ): buen oxidante o monopropulsor, inseguro para mezclar con combustible;
  • flúor (F 2 ): buen oxidante, tóxico, inseguro para almacenar y manipular, muy inseguro para mezclar con combustible;

Período único 3 átomo (+ hidrógeno):

  • silano (SiH 4 ): extremadamente inflamable, se enciende espontáneamente en el aire, ni se le ocurra mezclarlo con oxidante;
  • fosfina (PH 3 ): tóxico, inflamable, inseguro para mezclar con oxidante;
  • sulfuro de hidrógeno (H 2 S): tóxico, corrosivo, inflamable, peligroso para mezclar con oxidante;
  • cloruro de hidrógeno (HCl): tóxico, corrosivo, inseguro para almacenar y manipular, probablemente inseguro para mezclar con combustible;
  • argón (Ar): gas noble, sería un buen gas de presurización excepto que es más pesado y más caro que el helio y el nitrógeno.

Creo que son casi todas las moléculas covalentes estables con una masa por debajo de los 40 Dalton, aunque es posible que me haya perdido algunas. En particular, de esa lista, los únicos gases que cumplen todos los criterios son los gases nobles helio, neón y argón (de los cuales el helio es el más barato y el más ligero) y el gas nitrógeno.

Al aumentar la masa molecular, el número de posibles moléculas a considerar aumenta, ya que ahora tenemos, por ejemplo, compuestos de tres átomos del período 2 (e hidrógeno) a considerar. Ni siquiera voy a intentar enumerarlos a todos, pero AFAIK tampoco hay nada que pueda competir con el helio y el nitrógeno allí, especialmente porque los gases más pesados ​​​​también (en igualdad de condiciones) tienden a tener puntos de ebullición más altos que sus homólogos más ligeros.

El dióxido de carbono (CO 2 ) probablemente sea el más cercano, ya que es barato y bastante inerte y solo un 50 % más pesado que el nitrógeno, pero su alto punto de congelación lo hace inadecuado para su uso con oxidantes y combustibles criogénicos. Más o menos lo mismo ocurre con el hexafluoruro de azufre (SF 6 ) también. Algunos de los compuestos de carbono perhalogenados como el tetrafluorometano (CF 4 ) pueden ser lo suficientemente inertes y volátiles para servir como gases presurizadores, pero nuevamente, todos son más pesados ​​y costosos que el nitrógeno y el helio, al igual que los gases nobles pesados ​​criptón y xenón _ ( El radón , el sexto gas noble, tiene sus propios problemas únicos debido a que es radiactivo).

Además (como señaló Tristan en los comentarios a continuación), si está utilizando hidrógeno líquido como combustible, entonces sus únicas opciones reales para un gas presurizador son el hidrógeno mismo o el helio. Nada más permanece gaseoso a esas temperaturas. (Neon se acerca bastante, pero cerrar realmente no cuenta aquí).

El monóxido de carbono no solo es inflamable, una mezcla del 12,5 al 74,2 % con aire es incluso explosiva.
Sin mencionar que, de esos, solo el hidrógeno y el helio no se congelarán en presencia de hidrógeno líquido.
@OscarLanzi: Ah, claro, me olvidé por completo de los compuestos de boro. No es que ninguno de ellos sea particularmente útil como gases presurizadores, pero aún así debería agregar al menos diborano y borazano a la lista.
Al menos por lo que puedo encontrar en línea, el helio parece estar alrededor de $ 200 por mol ( $ 50 por kilo por una masa atómica de aproximadamente 4), mientras que el argón cuesta solo alrededor de $ 100 por mol ( $ 2.50 por kilo por una masa atómica de aproximadamente 4). unos 40).

No hay muchos gases atómicos o diatómicos a temperatura ambiente: H, N, O, F, Cl y los gases nobles.

  • los gases nobles son caros
  • F y Cl son corrosivos
  • el oxígeno reacciona con los propulsores, por lo que solo se puede usar para presurizar un tanque de oxígeno
  • H es inflamable/explosivo
  • eso deja N y el más barato de los gases nobles, He.

También existen gases compuestos (por ejemplo, CO 2 ) pero son más pesados ​​que el He y el N.

¿Por qué no H para presurizar O? ¿Es una mezcla explosiva?
sí, el H+O es bastante inflamable, por eso esa combinación se usa comúnmente como propulsor de cohetes.
Gracias :) Agregaría eso a la respuesta, para los que no son químicos / conocedores de propulsores :)
El argón es barato ($ 5 / kilo) e inerte, y bastante denso (alrededor de 1400 kg / m ^ 3) cuando está líquido. Sin embargo, es relativamente denso como gas, por lo que el argón residual que queda en un tanque grande representaría una masa de desecho significativa.
@SteveLinton, cuando trabajaba en la oficina del programa Shuttle, me dijeron que industrialmente, el oxígeno líquido se produce principalmente como un subproducto de la producción de argón.
¿El punto de ebullición también sería información útil? El agente presurizador debe ser un gas a la temperatura en que su propulsor es un líquido.
Es casi seguro que la masa del gas vacío también es un factor importante, además de la reactividad. Los lanzadores como F9 se toman la molestia de transportar tanto He como N por esa razón: es la forma más liviana de llenar el espacio de cabeza, y N tiene el mejor empuje en los propulsores de gas frío.
@Saiboogu ¿Es significativa la diferencia de masa entre un tanque de propulsión Falcon lleno de He y uno lleno de N2?
@OrganicMarble Cifras aproximadas reales: un cilindro de 40 mx 3,6 m (tanque F9S1) sale a 407 m ^ 3. 407 m ^ 3 de helio pesan 71 kg y 407 m ^ 3 de nitrógeno pesan 500 kg, por lo que no es un cambio insignificante.
Además, también puede haber beneficios para el almacenamiento: ¿el helio se compacta más que el nitrógeno? No estoy seguro de eso.
@Saiboogu ¡Gracias por hacer los números! La diferencia es más de lo que pensé que sería.
La temperatura de ebullición del argón (87,15 K) está muy cerca de LOX (90,15 K), no es muy bueno para presurizar un tanque de LOX. Para la presurización de un tanque de queroseno, el nitrógeno es más económico que el argón y menos denso (1,25 a 1,784). En un tanque de hidrógeno líquido se solidificaría el argón. ¿Hay algún propulsor líquido que se pueda presurizar con argón?
@OrganicMarble: hay plantas de oxígeno croigénico que no separan el argón, consulte wikipedia . El argón se acumula en la parte superior de la columna y se libera como gas residual. Para obtener argón puro, se necesita una separación especial utilizando mucha energía adicional para menos del 1 % de argón, consulte
Aparte de He y N como gases presurizantes
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v