Cargando tanques de oxígeno supercrítico e hidrógeno en la plataforma de lanzamiento, ¿cómo lograr baja temperatura y alta presión?

Las naves espaciales Apollo y Shuttle utilizaron celdas de combustible para la producción de energía eléctrica y agua. El hidrógeno y el oxígeno para las pilas de combustible se almacenaron como un fluido supercrítico a una temperatura cercana al punto crítico para aumentar la densidad sin usar una presión muy alta.

Pero, ¿cómo se cargaron esos tanques de celdas de combustible en la plataforma de lanzamiento? La temperatura del oxígeno e hidrógeno gaseosos a alta presión era demasiado alta, la temperatura de ebullición de esos gases licuados era demasiado baja. El punto de ebullición del O2 a 1 bar es 90,188 K (−182,962 °C, −297,332 °F) y el punto crítico es 154,581 K, 5,043 MPa o 50,43 bar.

¿Llenaron los tanques con la cantidad adecuada de gases licuados, cerraron las válvulas y esperaron (pueden estar usando los calentadores del tanque para acelerar) a que las temperaturas y presiones alcanzaran los valores deseados para los fluidos supercríticos?

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Respuestas (2)

No tengo una buena referencia que lo indique explícitamente para este, pero creo que su conjetura es correcta: lleno desde el suelo y presurizado hidráulicamente a una presión baja como gases licuados, luego encienda los calentadores para entrar en el rango supercrítico.

El Manual de distribución de suministro y reactivos de potencia del transbordador (no en línea) tiene gráficos que muestran cuánto tiempo lleva presurizar al rango de operación usando los calentadores. La descripción del gráfico dice

Presurización de los calentadores del tanque de oxígeno: las presiones esperadas del tanque se muestran como funciones del tiempo para varias cantidades de llenado. La presión inicial es de 15 psia. Los calentadores funcionan con energía GSE.

Apolo puede haber sido diferente: la referencia en esta respuesta dice

GSE realiza la presurización inicial desde el llenado hasta las presiones operativas.

Esto podría significar la presurización hidráulica de GSE o la operación del calentador impulsado por GSE como en el caso de Shuttle, no está claro.

GSE = Equipo de apoyo en tierra

presurización hidráulica significa bombear gases licuados al tanque para aumentar la presión a los valores operativos?
Calentar un recipiente cerrado no puede cambiar la densidad de su contenido: sigue siendo la misma masa allí. Entonces, si el objetivo es maximizar la masa encerrada, debe cargarse en/cerca del contorno de temperatura y presión de almacenamiento.
@BobJacobsen Calentar un recipiente cerrado no puede cambiar la densidad si el recipiente está completamente lleno de oxígeno líquido o gaseoso. Pero, ¿y si el recipiente está lleno con un 80 % de oxígeno líquido y un 20 % de oxígeno gaseoso?
¡Ojalá KSC hubiera publicado sus procedimientos y reglas como lo hizo JSC! Hay una frustrante falta de información sobre las operaciones terrestres.
@BobJacobsen hay otra línea en el Manual PRSD que dice "Presurización del suelo: hidráulica", por lo que el título del gráfico puede haberme engañado. Cuando encontré esa línea "La presión inicial es de 15 psia", interpreté el gráfico de la forma en que escribí la respuesta, pero definitivamente no se indica explícitamente.
@uwe si llena, cierra las válvulas y calienta, la masa general ya no cambia. Parece que el relleno termina en (cerca de) la P y la T finales antes de cerrarse.

La página 303 del Manual de operaciones de Apollo contiene información sobre la temperatura en el momento del llenado:

ingrese la descripción de la imagen aquí

La temperatura de ebullición de LOX es −297.332 °F, de LH2 es −423.182 °F, por lo que podemos concluir que los tanques de celdas de combustible están cargados con LOX y LH2.

En los diagramas de las isotermas del tanque encontradas por Organic Marble:ingrese la descripción de la imagen aquí

encontramos que la temperatura para una carga de 100 % LOX es -280 °F, muy cerca de la temperatura de ebullición.

Así que creo que llenar los tanques con LOX y LH2 primero y luego presurizarlos con O2 y H2 gaseosos a aproximadamente 900 y 240 psia fue la forma más fácil.

Pero para cargar la cantidad correcta de LOX y LH2, debe haber sensores de nivel para los líquidos o sensores de peso para los tanques. Los medidores capacitivos están diseñados para fluidos supercríticos para medir la cantidad del tanque durante el vuelo. Pero es posible que se puedan usar con fluidos supercríticos en gravedad cero, así como con líquidos en la plataforma de lanzamiento.

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