¿Cómo se llenan los tanques de combustible con hidrógeno criogénico?

La NASA ha realizado un extenso informe sobre esto y, de hecho, los tanques de hidrógeno criogénico se consideran uno de los mayores logros técnicos que logró la NASA. Gran parte de esto es específico de la etapa superior de Centaur, pero aquí hay algunas citas interesantes del artículo:

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Bossart condujo a Mrazek al patio de la fábrica, donde un tanque Centaur brillaba a la luz del sol. Mrazek preguntó: "¿Qué hay dentro?" A lo que Bossart respondió: “Nitrógeno”. Se usó nitrógeno para la presurización hasta que el cohete se llenó con sus propulsores de hidrógeno líquido/oxígeno líquido justo antes del lanzamiento.

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Uno de los más onerosos fue una interfaz de sistemas de fluidos y los requisitos especiales para descargar el propulsor de hidrógeno líquido si la misión tuviera que ser abortada. A fines de 1984, Johnson lanzó una Exención de seguridad Centaur (WACR-1A) que solicitaba un rediseño del sistema de ventilación de llenado, drenaje y descarga. El problema que quería abordar era la colocación de las entradas de las líneas de ventilación de hidrógeno líquido y oxígeno líquido por debajo del nivel del líquido propulsor en caso de que se abortara la misión.

La conclusión es que el cohete se llenó con nitrógeno antes del llenado. No puedo encontrar una fuente para ello. Es posible que también hayan puesto helio en su lugar, o hidrógeno gaseoso, como un espacio intermedio al llenarlo, pero no puedo encontrar ninguna fuente para esa información.

Las respuestas existentes no describen con precisión el procedimiento para el sistema Space Shuttle (o, creo, para Apollo, pero no estoy 100% seguro de eso; vea la nota al final de la respuesta). Los tanques de propulsor en el tanque externo (ET) del transbordador espacial nunca se llenaron con nitrógeno.

La condición inicial para la carga de LH2 en el tanque ET LH2 fue con el tanque y las líneas a temperatura ambiente. El tanque se presurizó con helio a 6 psi por encima de la temperatura ambiente.

El primer paso es enfriar las líneas que van desde el tanque de almacenamiento hasta la plataforma de lanzamiento móvil (MLP), a través de la MLP hasta el mástil de servicio de cola y a través del Orbiter hasta el tanque ET LH2. Para comenzar este proceso, el ET LH2 se ventila al ambiente abriendo su válvula de alivio/ventilación. Se ordena la apertura de válvulas en las líneas de transferencia para que LH2 comience a fluir desde la esfera de almacenamiento a través de las líneas mencionadas anteriormente hacia el tanque ET LH2.

Una vez que las líneas se han enfriado, comienza el "llenado lento". Se utiliza helio para presurizar el tanque ET LH2 a 24 psi por encima de la temperatura ambiente. Este nivel de presión se mantiene ciclando la válvula de ventilación/alivio a medida que se llena el tanque. Luego, LH2 fluye lentamente hacia el tanque ET LH2 hasta que alcanza los sensores de nivel del 5 % del tanque.

La siguiente fase es el "llenado rápido", que se logra presurizando la esfera de almacenamiento a una presión más alta y abriendo la válvula de la línea de transferencia. LH2 fluye rápidamente hacia el tanque ET LH2 hasta que alcanza aproximadamente el 85 % de su capacidad. En ese momento, la válvula de llenado principal se cierra parcialmente para reducir el caudal. Esta configuración se usa hasta que los sensores de nivel de líquido del 98 % en el ET se humedecen.

Al 98 %, el sistema realiza la transición a cobertura: un llenado lento hasta el 100 %. La válvula de la línea de transferencia y la válvula interna de llenado y drenaje están cerradas, el llenado continúa a través de la válvula superior. La válvula de venteo está abierta, el tanque ET LH2 está a presión ambiente.

Ahora el tanque se ha llenado hasta el nivel de vuelo y el sistema se pone en modo de recarga. La válvula de llenado principal se cierra y se agrega LH2 para mantener el 100 % de la carga y compensar las pérdidas debidas a la evaporación. Esta configuración se mantendrá hasta que el tanque se presurice con helio poco antes del despegue para proporcionar las condiciones de presión de entrada adecuadas para el arranque del motor principal del transbordador espacial.

Fuentes

• Modelo basado en la física para la detección de fallas en línea en un sistema de carga criogénico autónomo
• Modelo dinámico de carga de propulsor de cohetes con hidrógeno líquido

Una nota sobre la carga de LH2 en Apollo: este documento proporciona una descripción breve del proceso, pero el gráfico proporcionado muestra claramente un proceso de llenado lento/llenado rápido/tope/reabastecimiento similar al de Shuttle.

Si el tanque se llenó con gas nitrógeno antes de llenar con hidrógeno líquido, tenemos un problema, el hidrógeno líquido está tan frío que el gas nitrógeno se solidifica. Por lo tanto, el gas helio es mejor, sigue siendo un gas a la temperatura del hidrógeno líquido. El nitrógeno sólido puede dañar o destruir las bombas turbo y las válvulas de combustible.