¿Por qué el Falcon 9 requiere un sistema de presurización de helio?

Los tanques de combustible del transbordador requerían presurización.

Prelanzamiento, los tanques fueron presurizados con helio, suministrado desde el equipo de apoyo en tierra.

Después del encendido del motor principal del transbordador espacial, el sistema usó presurización autógena . El hidrógeno y el oxígeno gaseosos calientes se extrajeron de los motores y se canalizaron a su respectivo tanque de propulsor para presurizarlo. Un sistema de sensor/válvula medía la presión de llenado del tanque y aumentaba o disminuía el flujo presurizante según fuera necesario. (Al final del programa, se rediseñó el sistema de oxígeno gaseoso para quitar las válvulas).

La presurización con helio puede ser más simple y económica (no se necesita un bucle de control de sensor/válvula, solo un regulador) y, por lo tanto, más deseable para Falcon. Se evitan algunos modos de falla. Además, el oxígeno gaseoso caliente es temiblemente reactivo y requiere una limpieza extrema y estándares de materiales (este fue el motivo del rediseño del sistema) y puede ser conveniente evitarlo. El helio es la antítesis del reactivo, aunque requiere un cuidado extremo para evitar fugas. Los aspectos negativos de la presurización con helio podrían incluir una penalización de peso sobre un sistema autógeno, dependiendo de los detalles de los sistemas particulares.

También vea estas preguntas relacionadas:

¿Cómo funciona la presurización del tanque?

¿Por qué usar helio?

Además, aunque me doy cuenta de que no es lo que quisiste decir, el transbordador tenía un sistema de presurización de helio. Muchos de ellos, de hecho. El sistema de propulsión principal tenía varios tanques de helio dedicados que se usaban para purgar el sistema, accionar válvulas y presurizar las tuberías para la entrada. Los sistemas de control de actitud y maniobras orbitales usaban propulsores hipergólicos que estaban presurizados con helio. Otros sistemas misceláneos también utilizaron la presurización con helio, como las calderas de amoníaco en el sistema de control ambiental.

Gracias, eso está claro; la pregunta es más ¿por qué no pueden arreglárselas sin el helio? Debido a que el transbordador no lo necesitaba y, según los informes, el MCT tampoco lo necesitará, entonces, ¿por qué el halcón?

Todos los cohetes necesitan mantener el tanque presurizado durante el vuelo. Algunos usan gases calientes de los motores para hacer eso. Otros no. El combustible utilizado en el cohete es la razón principal por la que muchos utilizan helio. El falcon 9 utiliza RP1, que es básicamente queroseno. Cuando calienta queroseno, no obtiene suficiente gas caliente para mantener la presión del tanque. Por lo tanto, necesita combustibles que se expandan mucho en volumen cuando se calientan. Puede obtener suficiente oxígeno caliente del motor para hacer ese trabajo, pero si mezcla oxígeno caliente con queroseno, podría provocar un incendio y una explosión en el tanque interno. Entonces el oxígeno no es compatible con ningún combustible. El helio y el nitrógeno son dos buenas opciones. Creo que el Saturn V usó nitrógeno para mantener la presión del tanque en la primera etapa.

Los motores Merlin usan helio para purgar antes del lanzamiento. Al menos en los días de Merlin 1C, y puedes ver varios abortos que se llamaron debido a problemas con Helium.

Para la etapa superior, se usa para presurizar los tanques para asegurarse de que el combustible y el LOX fluyan correctamente hacia los motores. Las bombas succionan y la presurización de Helio empuja.

Se utiliza helio ya que es inerte y se comprime bien. Por lo tanto, no se quema con el combustible o LOX (que sería muy malo) y puede almacenarse en paquetes más pequeños y densos.

Las SSME fueron alimentadas por cuatro turbobombas; el combustible y el oxidante pasaron cada uno a través de una turbobomba de baja presión y luego de alta presión. Esto les permitió alimentar desde un tanque de combustible de baja presión a una cámara de combustión de alta presión (20,6 MPa) sin cavitar. Para la serie Falcon, SpaceX tomó la decisión de diseño de usar una sola etapa de turbobomba para el combustible y el oxidante. Bombear hasta la presión de la cámara de 6,8 MPa en una sola etapa sin cavitar es más de lo que la bomba puede manejar; El combustible entrante y el comburente deben tener una presión mínima mayor que la proporcionada por el peso y la aceleración del propulsor. Especulo que podrían prescindir de la presurización con helio agregando una etapa de turbobomba de baja presión similar al diseño SSME, pero las consideraciones de peso y costo favorecieron la presurización con helio. También, Los tanques de presurización agregan resistencia mecánica al evitar el pandeo. Los tanques del transbordador eran gruesos y, por lo tanto, menos propensos a esta falla (la carga de pandeo es una función de la relación de esbeltez). El diseño delgado de Falcon puede requerir una presión interna mínima para sobrevivir a Max-Q.

La ventaja del helio en general es que es literalmente un gas perfecto, lo que lo convierte en el gas perfecto para la presurización. Puede colocar más helio en un tanque de tamaño y peso determinados (suponiendo que esté construido para soportar la presión) que cualquier otro gas. El helio ha sido el gas preferido para la presurización desde los años 60. El peso, la simplicidad y la confiabilidad de las botellas de helio de alta presión han ganado hasta ahora sobre otros sistemas de presurización propuestos, como calentar parte de su combustible. Tenga en cuenta que un lanzamiento de Delta-IV falló debido a la cavitación en la entrada de la turbobomba. Cuando un cohete se lanza por primera vez, está lleno de combustible y la presión en el fondo del tanque es muy alta; cuando está a punto de agotarse, la pila de combustible tiene solo unos pocos pies de altura, por lo que la presión que ingresa a la turbobomba es mucho menor.

¡El helio aísla las emisiones de los circuitos de control de la ignición de las mezclas de combustible y el escape entre el módulo de comando! ¡Pueden usar presión negativa para mantener la presión de lanzamiento del sistema!