¿Por qué el oxígeno criogénico y el queroseno criogénico no se pueden "almacenar" juntos?

Esta pregunta, que yo sepa, solo se aplica a los motores alimentados a presión Electron de Rocket Lab que usan combustibles no hipergólicos y otros ciclos de motor que no usan un prequemador rico en combustible/oxígeno. Mi pregunta es ¿por qué alguien como Rocket Lab no puede almacenar LOX y RP-1 juntos en un tanque común en una proporción premezclada? Entiendo que en algo como un Falcon 9 sería al menos necesario suministrar más combustible al prequemador, pero en algo como el Electron que usa una turbobomba eléctrica que no requiere prequemador, ¿por qué no se pueden almacenar juntos el oxidante y el combustible? Intuitivamente, esto eliminaría el gran peso de los mamparos del tanque que dividen los tanques de oxidante y de combustible y haría que sus inyectores fueran mucho más simples.

Tómese un minuto para buscar esto - P: ¿Cuál es el punto de congelación del queroseno? ¿Y el punto de ebullición de LOX? Entonces piense en el "queroseno criogénico".
Me parece una buena idea a menos que quieras que tu cohete se lance de forma controlada. Mezclar un comburente y un combustible generalmente tiene resultados espectaculares y no todos son beneficiosos para un lanzamiento exitoso.
El oxígeno debe almacenarse sin hidrocarburos. Ha habido explosiones por contaminación de grasa o aceite en los tanques de oxígeno. Cada tanque, tubo, válvula, manguera utilizada para oxígeno se limpia de hidrocarburos con mucho cuidado antes del primer uso.
Poner un poco de TNT debajo del cohete aumentaría aún más el posible peso de despegue, al menos teóricamente.
Debe decirse que la temperatura del O2 criogénico es mucho más baja que la temperatura de ignición del queroseno: 220 grados centígrados. Entonces, teóricamente, si la mezcla está en condiciones estables, no se autoencenderá ni explotará. Pero debido a que el queroseno se congela, flotará sobre el oxígeno líquido, porque es menos denso.
Si bien no creo que la diferencia importe para esta pregunta, es importante señalar que los motores Rutherford en Electron de Rocket Lab no son alimentados a presión; son alimentados por bombas eléctricas alimentadas con baterías
@Heopps La temperatura de ignición del queroseno es válida para el aire, será diferente para el gas oxígeno al 100 % e inválida para una mezcla de LOX con queroseno. Cuando se enciende un motor, la temperatura en la cámara es mucho más baja que 220 °C. No hay precalentamiento de la cámara antes del encendido.
A continuación en StackExchange Preguntas candentes: ¿Por qué no vendemos fósforos ya encendidos, para ahorrarle a la gente el trabajo de encenderlos?
@Uwe - Supongo que sí. Pero no pude encontrar ninguna información sobre la temperatura de ignición del queroseno congelado en oxígeno líquido. Mi intuición es que la temperatura de ignición sigue siendo más alta que el punto de ebullición de LOX. Pero si alguien puede demostrar lo contrario, borro mi comentario.

Respuestas (4)

Como sugiere Organic Marble, hay unos 140 grados centígrados entre el punto de congelación del queroseno y el punto de ebullición del oxígeno; no hay temperatura a la que ambos sean líquidos.

Incluso si los propulsores fueran térmicamente más compatibles, poner el combustible y el oxidante en el mismo tanque es una idea realmente peligrosa. Por lo general, los tanques de combustible están presurizados con helio o nitrógeno (gases no reactivos) para que ninguna chispa en el tanque provoque un incendio. Con oxígeno y queroseno fácilmente disponibles en el mismo espacio, el tanque es una bomba que espera estallar.

Si bien las proporciones de masa son muy importantes para el rendimiento general del cohete, la seguridad es más importante.

Dado que el combustible sólido para cohetes tiene tanto el oxidante como el combustible juntos, ¿qué hace que una combinación líquida sea más peligrosa? ¿Es que la cantidad de energía necesaria para iniciar la reacción de combustión es mucho menor para una mezcla líquida que para una mezcla sólida? ¿O es específico para el tipo exacto de combustible y oxidantes?
El combustible sólido para cohetes de @aranedain está compuesto para no ser explosivo y no inflamarse con demasiada facilidad por accidente.
En realidad, incluso si hubiera una superposición de temperatura, es posible que no pueda mantener la 'mezcla' correcta / uniforme: piense en el aceite flotando en el agua.
@MikeBrockington sí, pero tanto el oxígeno como los hidrocarburos no son polares, por lo que debería estar bien. De hecho, el oxígeno líquido y el metano líquido se podrían mezclar en cualquier proporción. ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19680020605.pdf doi.org/10.1007/978-1-4757-0540-9_2
With both oxygen and kerosene readily available in the same space, the tank is a bomb waiting to go off- y conectar una línea de combustible desde el tanque a un motor hace un fusible, por lo que arrancar el motor hará que el tanque explote instantáneamente. Ni siquiera es un riesgo, es una certeza.
@J... Bueno... No... Mientras bombee el combustible a través de la línea más rápido de lo que el calor se propaga hacia arriba, debería estar bien. O tenga un supresor de destellos de algún tipo (para eso están esas mallas metálicas en las boquillas de las latas de gasolina. Evitan que suba suficiente calor por el pico para explotar el tanque en caso de una ignición accidental). Aún así, mezclar combustible y oxidante es innecesariamente peligroso considerando el poco peso que se necesita para que sean dos tanques separados.
@Perkins La gasolina en una lata no se mezcla estequiométricamente con el oxidante. De acuerdo, si pudieras bombearlo lo suficientemente rápido, podrías hacer que el combustible supere el frente de reacción, pero sería tan increíblemente arriesgado... hacerle cosquillas en la cola del dragón sería un eufemismo.
@J ... una vez que vierte la mitad, tiene aire allí, y aunque puede que no sea una mezcla estequiométrica, seguirá produciendo una explosión suficiente para causar lesiones graves y / o iniciar un gran incendio dependiendo de la tamaño de la lata. Independientemente, si puede evitar que el calor se acumule hasta la temperatura de ignición, podría hacer algo como esto. Simplemente no vale la pena el riesgo adicional en el caso de un mal funcionamiento.
@aranedain: Se requiere bastante trabajo para probar y formular composiciones de propulsores sólidos para garantizar que solo se enciendan cuando se supone que deben hacerlo, y que no entren en una fuga explosiva donde el aumento de la presión aumenta la velocidad de combustión. Restringirse aún más a líquidos miscibles y estables que no reaccionan entre sí hace que esto sea mucho más difícil, y no hemos tenido un éxito total ni siquiera con sólidos... se tratan como artefactos explosivos y se manejan con mucho cuidado. precaución.
@Perkins: Eso es principalmente gas nitrógeno con una fracción de oxígeno y algo de vapor de hidrocarburo en algo que está lejos de ser una relación F/O ideal y una densidad general en el área de 1 kg/m^3, no una mezcla de combustible líquido y oxidante sin diluir . Todavía podría ser posible un mecanismo de parada de llamas, pero será mucho más difícil debido a la mayor densidad de energía y velocidades de reacción.
Los parallamas @Perkins para latas de gasolina también solo tienen que detener una deflagración débil de una mezcla pobre de combustible/vapor de aire a presión atmosférica. Creo que con combustible líquido/oxidante no habría forma de diseñar un pararrayos similar, especialmente cuando no puede obstruir el flujo de combustible (cuya tasa de suministro debe permanecer extremadamente alta). La única esperanza sería hacer fluir el combustible lo suficientemente rápido como para superar el frente de reacción, que esperaría que fuera una detonación, no una deflagración. Estamos hablando de flujos de combustible a miles de m/s.
@aranedain, entre otras cosas, ¡el hecho de que son sólidos! Es solo una ligera simplificación decir que las cosas sólidas no se queman, los gases emitidos por los sólidos cuando se calientan sí lo hacen. Esto significa que solo hay una superficie limitada disponible para que ocurra la combustión y una barrera de energía bastante grande que superar antes de que pueda comenzar. Los gases pueden explotar en cualquier lugar y con mucha menos provocación. Y los propulsores líquidos de cohetes suelen estar (¿siempre?) en equilibrio de presión con su fase gaseosa, por lo que si los almacena juntos, existirá una mezcla de gases.
Me gustaría señalar que cuando Russell escribe "el tanque es una bomba esperando a estallar", no es una forma de hablar o una metáfora. El tanque sería literalmente una bomba real .
@TannerSwett y solo está esperando hasta que se sienta así, no una señal de ti mismo :) De repente me acuerdo de Dark Star por alguna razón.
Un gran recurso sobre propulsores de cohetes y explosiones notables: Ignition, de John D Clark. sciencemadness.org/library/books/ignition.pdf
@J... ahora que lo pienso, dado que esta mezcla sería al menos tan volátil como ANFO, probablemente tengas razón sobre la detonación. Por lo tanto, hundir suficiente calor para evitar eso sería un desafío, por decir lo menos. Probablemente sea técnicamente posible, pero de ninguna manera sería más simple o más liviano que dos tanques separados. La mejor estrategia en ese momento probablemente sería algún tipo de motor de detonación de pulsos. Esos tienen ventajas teóricas, pero también tienden a ser más propensos a fallas espectaculares.

Porque es casi seguro que irá KABOOM.

Los combustibles y oxidantes íntimamente mezclados son prácticamente indistinguibles de los explosivos y, en particular, el LOX íntimamente mezclado con hidrocarburos inflamables es tremendamente peligroso; en lugar de ser algo que pueda manejar, tiende a desencadenarse por impacto, vibración o compresión adiabática que puede ser causado por cerrar o abrir una válvula.

Quizás la mezcla de combustible LOX e hidrocarburo más infame fue LOX y metano líquido (que son perfectamente miscibles), discutida en Clarke's Ignition : se suponía que actuaría como un monopropulsor como usted describe, pero supuestamente (aunque discutiblemente) era tan delicado que podría ser detonado con una luz brillante.

Al menos uno de los aviones cohete Bell X-1 fue destruido cuando LOX en contacto con una junta de cuero impregnada de aceite detonó debido a la vibración. Una mezcla a granel de LOX y combustible de queroseno es mucho peor: seguramente no podría sobrevivir al pasar por una turbobomba, y habría poco para detener la detonación en la cámara de combustión que corre a través de las líneas de combustible y hace estallar todo el tanque. (Existen pararrayos de detonación, pero no evitan que el motor y las líneas de combustible se desmonten rápidamente, ni protegen los tanques de la metralla, como aprendió Clarke).

Además, el RP-1 se congelará a la temperatura LOX. La interacción de pequeñas partículas de hidrocarburo probablemente no ayude.

"que le alumbrara una luz". ¡Sé que lo dice en algún lugar de Ignition! sobre algunos combustibles, pero eso es más un mito que una verdad.
+2 internets para el Kaboom que hace temblar la Tierra
Boeing trató de hacer esto bajo un contrato de desarrollo de DARPA con un notorio óxido mezclado con acetileno. El resultado fue KABOOM, para mi falta de sorpresa. spacenews.com/darpa-airborne-launcher-effort-falters
@DMPalmer: ¿Quiso decir óxido nitroso ?
@Sean ¿Ves? Su reputación le precede.
Si los "combustibles y oxidantes íntimamente mezclados son prácticamente indistinguibles de los explosivos, y en particular, el LOX mezclado con hidrocarburos inflamables es un explosivo increíblemente delicado que puede activarse por impacto, vibración o cuando se enciende una luz", entonces ¿Por qué no ? ¿Se incendia el recubrimiento de fibra de carbono en LOX? (mire este video primero) y aún espero más datos sobre ¿Cómo detonó el JPL una mezcla líquida de metano y oxígeno con luz?
Además, ¿ese kaboom es de la variedad Earthshattering ? ( 1 , 2 )
Recuerda la columna inmortal de Dave Barry sobre la búsqueda de los ingenieros para encender una parrilla de carbón lo más rápido posible. Verter tres galones de LOX en la parrilla resultó imbatible. "Básicamente, la parrilla se evaporó", dijo Goble. "Estábamos pensando en devolverlo a la tienda para obtener un reembolso".
@Tashus Ese es el mejor acto doble que he visto en mucho tiempo. :)

para ponerlo en 3 palabras "explotará " . ve que el combustible se quema con oxidante y mezclar los dos en el mismo almacenamiento me permitirá hacerlo en pasos:

enciendes el motor... la llama fluye hacia el tanque... que también arde... en un espacio cerrado... rápidamente... lo que hace que el tanque explote... y entonces no tienes más cohete. ):

@mike-brockington ¿cómo? La última vez que verifiqué mezclar combustibles hipergólicos en un tanque explotará a medida que lo llene porque así es como funcionan los combustibles hipergólicos, explique cómo eso los hace imposibles. Ni siquiera es tan complejo, el combustible se quema con oxígeno, ¿no puedes entender eso?
@MikeBrockington "Los combustibles hipergólicos son combustibles que reaccionan espontáneamente al contacto con un oxidante y no requieren una fuente de ignición externa, como las bujías".
@Topcode comenté a la persona equivocada
Lo siento, desvanecimiento total del cerebro allí, quise decir monopropellantcombustibles.
@ mike-brockington todavía, ¿cómo invalida mi respuesta?
Un monopropelente es esencialmente exactamente lo que describe el OP: combustible y oxidante en la misma mezcla, en la proporción correcta. Tampoco está mencionando la tercera parte del 'triángulo de fuego': no ​​todas las mezclas de combustible se queman espontáneamente.
@MikeBrockington Monoprop necesita un catalizador para iniciar la descomposición. En el almacenamiento, el propulsor es estable y la descomposición no puede propagarse hacia atrás en el tanque (donde no hay catalizador). Eso es muy diferente de combustible/oxidante íntimamente mezclados donde sería casi imposible aislar la línea de combustible de la combustión activa en la cámara.
@MikeBrockington ¿Ejemplos de monopropulsores que contienen combustible y oxidante mezclados, por favor?
Ah, sí, el buen viejo "Va a explotar violentamente" -Ignition, John D. Clark
@MikeBrockington: Sí, y los monopropulsores que son lo suficientemente seguros como para usarlos en realidad brindan un rendimiento absolutamente malo en comparación con los bipropulsores típicos, ya que esa estabilidad (relativa) que les permite manejarlos (relativamente) con seguridad también significa que no liberan lo suficiente energía después de la descomposición para proporcionar un buen rendimiento.
@OrganicMarble Combustible y oxidante premezclados es más o menos la definición de un monopropulsor. Intuitivamente, no es una buena idea y, como señala Sean, tampoco es particularmente buena en la práctica, pero SON posibles y existen.
@MikeBrockington Esa no es la definición de un monopropelente. Probablemente, el monoprop más común es la hidracina, que no es una mezcla de nada, es solo hidracina (N2H4). La descomposición exotérmica se inicia en presencia de un catalizador de iridio que descompone la hidracina en nitrógeno, amoníaco e hidrógeno gaseoso, liberando energía. No hay oxidante.
@MikeBrockington ¿Un ejemplo de un monopropulsor que contiene combustible y oxidante mezclados, por favor? es posible que desee reflexionar sobre el significado de "mono"

La historia del desarrollo de combustible para cohetes ha estado dominada por hacer que funcionen en el rango de temperaturas que queremos. Por ejemplo, encontrar un combustible que sea lo suficientemente líquido para funcionar en el Ártico y no tan volátil que no pueda almacenarse a una presión razonable en el desierto.

Desafortunadamente, el queroseno se congela muy por encima del punto de ebullición del oxígeno. Podría ser posible convertirlo en un aguanieve en oxígeno, con desarrollo y mezclas para estabilizarlo. Después de todo, se han agregado a los combustibles varios metales en polvo, boro, aluminio, berilio (¡escape desagradable!) para aumentar el calor de combustión, con varios geles y magia negra para mantener la mezcla líquida. Sin embargo, la historia de los monopropulsores ha sido en gran medida lo que cabría esperar al tratar de almacenar lo que es básicamente una bomba líquida.

Lea Ignition para conocer la historia de un hombre sobre el desarrollo de los propulsores de cohetes.

+1Hay más información sobre el RP-1 criogénico y el LOX en ¿El motor NK-33 requiere queroseno subenfriado tan frío que se convierte en cera?
¿Por qué el oxígeno criogénico y el queroseno criogénico no se pueden "almacenar" juntos?
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