¿El plan de ULA para la segunda etapa LH2/LOX que puede mantener el propulsor durante un período de tiempo prolongado?

El artículo (largo) de Business Insider El mayor rival de SpaceX tiene un plan "genial" para reducir los costos de lanzamiento de cohetes en más del 70% contiene las declaraciones del CEO de ULA, Tory Bruno:

Vulcan debería levantar 40 toneladas (casi tres autobuses escolares) a la órbita terrestre baja. Eso es menos que el Falcon Heavy de SpaceX, que puede levantar más de 70 toneladas, casi cinco autobuses escolares, por una cuarta parte del precio. Pero Bruno dijo que existen grandes diferencias entre los dos sistemas que harán que Vulcan sea competitivo.

La diferencia clave es la etapa superior del cohete. Falcon Heavy actualmente utiliza un queroseno RP-1 apto para cohetes como combustible, pero puede congelarse en el espacio después de unas pocas horas. La etapa superior de Vulcan utilizará oxígeno e hidrógeno criogénicos, que son más resistentes a las duras temperaturas del espacio.

LH2 y LOX tienen aproximadamente la misma densidad molar, pero la estequiometría requiere el doble de moles de LH2. Si los tanques están de extremo a extremo, significaría que el tanque LH2 intercepta casi el doble de exposición geométrica al medio ambiente que el tanque LOX. Sin embargo, la entalpía de vaporización de LH2 en base molar es solo una cuarta parte de la de LOX (ver LH2 y LOX ).

Además, a 1 atmósfera, por ejemplo, LH2 hierve alrededor de 20 K mientras que LOX hierve alrededor de 90 K. Eso significa que sin refrigeración activa, la carga de calor tendría que ser del orden de$(4.5)^4$veces menor si se usara LH2 (suponiendo radiación pasiva para el enfriamiento), lo que sería un verdadero desafío a la luz del sol.

Hay dos tres partes en esta pregunta. Si tengo que dividirlos, lo haré, pero es posible que una respuesta pueda abordar ambos al mismo tiempo.

1. ¿Es probable que ULA considere colocar el tanque LH2 de segunda etapa dentro del tanque LOX (o al menos estar rodeado por él coaxialmente)?
2. A menos que la segunda etapa vaya a Júpiter o más allá, ¿no es el calentamiento de la luz solar que hierve el LH2 un problema más desafiante que el "congelamiento" del RP-1? (Consulte ¿El motor NK-33 requiere queroseno subenfriado tan frío que se convierte en cera? para obtener algunos gráficos de densidad frente a temperatura).
3. Para mantener el LH2 frío durante meses, ¿terminaría la segunda etapa pareciéndose un poco al JWST con esas grandes capas de polímero metalizado desplegadas para bloquear el sol?

Temperatura de una vaca esférica en el espacio:

Vaca esférica ilustrada por una reunión de 1996 de la Asociación Astronómica Estadounidense, en referencia al modelado astronómico. De aquí : "La imagen fue creada por Ingrid Kallick para la portada del programa de la reunión anual de 1996 de la Asociación Astronómica Estadounidense. Se creó una versión anterior para el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación. El artista autorizó su uso a la Universidad de Wisconsin. Departamento de Astronomía. El STScI utilizó posteriormente la imagen. http://www.ikallick.com "

La temperatura de equilibrio ocurre cuando la potencia promedio de entrada es igual a la potencia promedio de salida , o$\bar{P}_{in} - \bar{P}_{out}$. El promedio debe hacerse sobre variaciones a corto plazo en la actitud con respecto al Sol y tener en cuenta los eclipses para la mayoría de las órbitas cerca de la Tierra, la Luna u otro planeta.

dónde$a_{vis}$es el albedo de la luz visible,$e_{ir}$es la emisividad infrarroja (ambos deberían ser promedios ponderados en los rangos de longitud de onda apropiados; los comentarios de @Tristan y @Puffin explican esto mejor que sus respuestas asociadas),$\sigma$es la constante de Stefan-Boltzmann (alrededor de 5.67E-08 W m^-2 K^-4), y yo es la intensidad de la luz solar, y para 1AU es la constante solar y alrededor de 1360 W/m^2. Resolviendo para la temperatura de equilibrio promedio de dicha vaca da:

Para un albedo de luz visible promedio de 0,95 y una emisividad infrarroja promedio de 0,95. esto resulta ser alrededor de 130 Kelvin a 1 UA, y alrededor de 110 Kelvin cerca de Marte, y debido a la raíz cuarta, esto varía solo lentamente con cualquiera de los parámetros. Parece que el espacio es mucho más amigable con el LOX que con el LH2, y solo serían necesarias medidas moderadas de protección solar para que el LOX hierva por debajo de la presión de 1 atmósfera, como simplemente tener la segunda etapa de frente al Sol, porque las vacas no son en realidad esféricas.

Pero, ¿qué pasa con el RP-1?

Si el albedo de un "compartimento LOX" hipotético fuera 0,1 en lugar de 0,95 (si fuera 18 veces más absorbente de luz solar), la temperatura aumentaría en una cuarta raíz de 18, o aproximadamente en un factor de dos (ver mi pensamiento reflexivo (y innecesariamente votado en contra) tutorial sobre el uso de leyes de potencia en física ). ¡Eso pondría al RP-1 cerca de un templado 273 K o 0C, " subenfriado " y listo para funcionar! Esto puede ser confirmado por la gráfica de la temperatura de equilibrio de la temperatura de un cuerpo negro esférico alrededor de cada uno de los planetas (ignorando los eclipses y el albedo planetario) que se encuentra en esta respuesta .