¿Cómo saben cuánto propelente líquido hay en un cohete justo antes del lanzamiento?

En esta respuesta escribí:

En otras palabras, unas pocas toneladas aquí o allá podrían depender de algo tan simple como el clima, o de tratar de exprimir un poco de propulsor adicional para una misión determinada con una restricción estricta en el alcance, o dónde quieren aterrizar el propulsor reutilizable.

Creo que una diferencia de solo el 0,5 % es demasiado pequeña para tratar de establecer un valor fijo.

Lo que significa que de un lanzamiento al siguiente, la masa de combustible de un cohete de propulsante líquido dado podría variar fácilmente en el orden de un porcentaje (o más).

Si bien existen controladores de flujo másico para líquidos que pueden tener en cuenta la variación de densidad dinámicamente durante un llenado, LOX tiene una pérdida constante debido a la evaporación. Una parte se hierve para curar el enfriamiento del tanque y otra parte se hierve intencionalmente para refrigerar el LOX restante. Para obtener más información al respecto, consulte la excelente respuesta de @Uwe a ¿Por qué los tanques LOX subenfriados necesitan "llenarse" hasta el último minuto más o menos?

Pregunta: Entonces, ¿cómo saben cuánto LOX hay en un cohete justo antes del despegue para decir una fracción de un porcentaje? ¿O de hecho no lo saben con esa precisión?

@Christoph muy amable, publique una respuesta si puede encontrar un ejemplo para vincular.
@Christoph: medir el diferencial de presión hidrostática entre el fondo y la parte superior del tanque no es tan fácil. Necesita un sensor diferencial conectado tanto al fondo como a la parte superior del tanque con un tubo muy largo de abajo hacia arriba. O necesita dos sensores de presión absoluta diferentes para la parte superior e inferior con una buena alineación y un pequeño error de compensación. Los sensores de presión deberían funcionar desde la temperatura de LOX hasta la temperatura ambiente con precisión. Puede ser que deban mantenerse a temperatura constante. Pero un tanque cilíndrico con dos mamparos esféricos no tiene una sección transversal constante sobre su altura total.
@PcMan ¿Ha leído los comentarios anteriores aquí antes de agregar los suyos?
Disponemos de sensores de presión con precisión inferior a 1 Pa. Sensores de temperatura aún más precisos. Modelar la geometría del tanque es un ejercicio de computación trivial . No hay necesidad de intentar medirlo utilizando la tecnología de 1870.
@PcMan escribirlo como respuesta y dejar que la gente lo vote, ¿quizás?
La forma más simple de sensor de presión diferencial es un "indicador de nivel de agua de tubo de vidrio". Tubo de vidrio para cohetes es la idea más steam punk que he escuchado este año!

Respuestas (1)

Los tanques externos del transbordador usaban sensores de nivel de líquido. Puede verlos en el lado izquierdo de cada tanque en este esquema.

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Fuente: Página 95 del antiguo Manual de Prensa

Los sensores relacionados ganaron notoriedad al final del programa cuando los sensores de bajo nivel de hidrógeno líquido, que se usaron como un sistema de seguridad para apagar los motores principales cuando se agotaba el combustible, comenzaron a indicar "Seco" cuando el vehículo estaba cargado para el lanzamiento.

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Este esquema, de una hoja informativa que analiza los problemas, muestra la "caja del sensor de punto" que procesa las lecturas del sensor (nivel alto y bajo) y las envía a las computadoras de a bordo y al suelo.

En cuanto a la precisión, puede ver los sensores 100 %, "100 +" y "100 -" en la lanza del sensor de punto.

Para el tanque LOX, el "100+" estaba al 100,15 % y el "100-" estaba al 99,85 %. Para el tanque LH2, el "100+" estaba al 100,3% y el "100-" estaba al 99,7%. Entonces, para la precisión de carga del transbordador, suponiendo sensores perfectos, fue de +/- 0,15 % para LO2 y +/- 0,3 % para LH2.

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Otros vehículos pueden diferir.

Fuente de porcentajes y esquemas de sensores - Manual de sistemas de transbordadores espaciales Volumen 2 , Dibujo 10.10

Ya veo, por lo que el nivel necesita información tanto de densidad (temperatura) como de volumen/forma para traducirse en una masa. ¿Crees que ambos son conocidos o al menos adivinables a +/-0.15% también?
Mi información sobre los procedimientos de carga es bastante escasa. Los tanques tenían sensores de presión y temperatura en ellos, por lo que ciertamente se podía conocer la calidad del propulsor. Sé que al final de la carga entraron en un modo llamado "reabastecimiento estable" que hizo circular fluido a través de los tanques, probablemente para controlar la calidad. Cuando trabajé en la oficina de integración, había un programa llamado PLOAD que calculaba la masa propulsora de estos sensores, pero desconozco la precisión.
@uhoh: la temperatura de ebullición de LOX (no subenfriado) depende de la presión en el tanque. Pero la presión en el fondo de un tanque es un poco más alta que en la parte superior, por lo tanto, la temperatura y la densidad no son constantes. Pero si un tanque tiene unos 20 m de altura, el 0,1 % son 20 mm. La densidad de LOX a 1 bar es de 1,142 g/cm^3, la presión de 20 m de LOX será aproximadamente 2,3 bar por encima de la presión ambiental. Debería buscar un diagrama de la relación presión-temperatura y densidad. Pero, ¿qué pasa con el volumen de las burbujas gaseosas dentro del oxígeno líquido? ¿Es menos del uno por ciento?
Busqué un diagrama pero solo encontré algunos números. La temperatura y densidad del LOX en ebullición en un tanque de unos 20 m de altura no es constante. En la parte superior a 1 bar, la temperatura es de -183 °C y la densidad de 1,142 g/cm^3. Pero unos 23 m más profundo, la temperatura es de -173 °C y la densidad es de solo 1,091 g/cm^3, un 4,5 % menos. Por lo tanto, el LOX frío y denso se hundiría de arriba hacia abajo del tanque y el LOX más cálido y menos denso subiría de abajo hacia arriba. La relación entre la densidad y la altura sería muy difícil de calcular. Por supuesto, la densidad de las burbujas gaseosas cambiaría entre el fondo y la parte superior.
Me gustaría tener más información sobre cómo funciona el programa PLOAD, pero no la tengo y no he encontrado ninguna en Internet.
¿Cómo saben cuánto propelente líquido hay en un cohete justo antes del lanzamiento?
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