¿Por qué los propulsores criogénicos no pueden almacenarse, al menos en el suelo, mediante refrigeración?

Combustibles criogénicos (hidrógeno líquido, metano líquido) 1 y oxidantes (oxígeno líquido) 2son los propulsores de cohetes de elección donde el rendimiento bruto es la preocupación principal, debido al muy alto rendimiento (según los estándares de cohetes químicos) producido por los motores de cohetes que queman propulsores criogénicos. Sin embargo, tienen la desventaja de que, al tener puntos de ebullición muy por debajo de la temperatura ambiente (o la temperatura exterior de la Costa Espacial o, en realidad, incluso la temperatura de Plesetsk en invierno), comienzan a evaporarse tan pronto como se alimenta el cohete; para evitar que los tanques exploten por la acumulación de gas producido por ellos, el propulsor evaporado se ventila a través de válvulas de alivio y, por lo tanto, se pierde en el cohete. Aislar el cohete ayuda un poco, especialmente para el hidrógeno líquido,

Como resultado, los cohetes criogénicos se lanzan mejor tan pronto como estén completamente llenos de combustible (para minimizar la cantidad de propulsor que se evapora antes del lanzamiento), y las etapas superiores criogénicas generalmente no duran más de una semana más o menos. arriba, en el espacio, antes de que se haya evaporado suficiente propulsor para reducir el presupuesto de Δv de la etapa por debajo del de una etapa superior que utiliza los llamados propulsores "almacenables" 3 (o, en algunos casos, un motor de combustible sólido).

Por otro lado, obviamente es posible enfriar el hidrógeno, el metano y el oxígeno líquidos muy por debajo de sus puntos de ebullición (como lo demuestra el hecho de que tiene los propulsores criogénicos disponibles en forma líquida para poner en el cohete en primer lugar), a través de uno o más métodos de refrigeración. Si de alguna manera uno pudiera mantener los propulsores refrigerados a temperaturas por debajo del punto de ebullición incluso una vez que se hayan cargado en el cohete, sería posible reducir en gran medida, o incluso eliminar por completo, el problema de la ebullición del propulsor. 4Esto no debería ser demasiado difícil para las primeras etapas, donde, después de repostar, lo único que hacen es sentarse en la plataforma; los tanques de combustible y oxidante podrían simplemente conectarse a plantas de refrigeración fijas a través de un par de umbilicales más, cerrando las válvulas para aislar los tanques de la infraestructura terrestre como parte de la secuencia de encendido, y luego separándose los umbilicales en el despegue:

Inocuidad de los alimentos aplicada al combustible para cohetes

Esto sería más difícil para las etapas superiores, ya que, para mantener sus propulsores refrigerados hasta que llegara el momento de usarlos, tendrían que llevar consigo equipos de refrigeración (potencialmente pesados) (aunque esto podría mitigarse hasta cierto punto mediante deshacerse de los refrigeradores antes de la quema final del escenario, cuando ya no serían necesarios); donde los propulsores refrigerados realmente se destacarían en el espacio sería para un depósito de propulsor criogénico en órbita, ya que la maquinaria de refrigeración podría (nuevamente) permanecer en la pieza de infraestructura que no va a ninguna parte (aquí, el depósito de propulsor), con el cliente naves espaciales que aprovechan los beneficios de los propulsores criogénicos almacenados sin tener que pagar las penalizaciones por peso de los equipos de refrigeración. Es cierto que la refrigeración norequieren una fuente externa de energía, pero la energía solar es esencialmente gratuita para una nave espacial en órbita, con baterías recargables para cubrir los períodos de sombra.

¿Qué me estoy perdiendo?

1 : El etano, el etileno y el propano líquidos también son criogénicos (aunque no tan profundamente como el metano líquido), pero, hasta donde yo sé, en realidad no se han utilizado en ningún motor de cohete producido en masa.

2 : El flúor líquido también es criogénico y, en realidad, es un oxidante con un rendimiento algo mejor que el oxígeno líquido, pero es un poco más costoso y difícil de manejar, da como resultado motores con modos de falla más espectaculares y, de manera realista, solo se puede usar como un componente superior. -oxidante de etapa (debido a las grandes cantidades de fluoruro de hidrógeno que produce con todos los combustibles comunes para cohetes); por estas razones, en la actualidad no se utiliza generalmente como propulsor de cohetes.

3 : En la práctica, esto generalmente significa propulsores hipergólicos a temperatura ambiente, generalmente hidracina y/o uno o más de sus derivados (para el combustible) y tetróxido de dinitrógeno (para el comburente).

4 : Además del problema relacionado de la expansión térmica de los propulsores líquidos enfriados; Todos los propulsores líquidos de cohetes (incluso aquellos que son líquidos hasta la temperatura ambiente y la superan, como el RP-1) se expanden con el aumento de la temperatura, lo que ha llevado a algunos cirujanos de cohetes a enfriar estos propulsores casi hasta su punto de congelación para densificarlos y dejar que se empaque más propulsor en los tanques. Si el cohete tiene que sentarse sobre la almohadilla absorbiendo calor, los propulsores se vuelven a calentar y se expanden, y se debe extraer una cierta cantidad de los tanques para evitar que exploten, anulando la ventaja de rendimiento de los propulsores enfriados.

¿Estime el costo y el tiempo de desarrollo del hardware de recuperación frente al costo de los propulsores perdidos?
@RussellBorogove: ¿Qué "hardware de recuperación"?
Las líneas de retorno en su diagrama y cualquier cosa con la que interactúen.
Hay problemas con tener un cohete sentado en la plataforma llena de combustible criogénico durante un período de tiempo más allá de la ebullición del combustible. Partes del cohete se enfriarán más de lo que deberían estar; el hielo se acumulará en todo tipo de lugares y probablemente más. Todo esto se puede evitar con aislamiento, o algún que otro calentador, pero eso es más masa.

Respuestas (2)

Realicé un estudio de factibilidad para un sitio de lanzamiento Soyuz en Christmas Island hace muchos años en apoyo del Centro Espacial del Pacífico Asiático. Uno de sus comunicados de prensa hablando sobre el proyecto está aquí: https://www.aerospace-technology.com/projects/christmas/

Como parte de esa investigación, analicé la viabilidad de agregar suficiente capacidad de refrigeración para evitar la evaporación con el contratista (BRPH Construction, que instaló una buena parte de las instalaciones de lanzamiento de la isla Kodiak) que estaba preparando una oferta para mí y me dijeron que era un mala idea desde un par de aspectos. Primero, el costo de producir y almacenar los productos refrigerados es mínimo si uno puede producir justo lo que necesita, justo antes de que lo necesite, basándose únicamente en el uso de energía pura. En segundo lugar, los clientes anteriores habían cuestionado cómo mantener la pureza de los propulsores si se mantenían refrigerados por debajo de la temperatura de ebullición, en particular el LOX, que estaba lo suficientemente frío como para tener la costumbre de condensar LN2 de la atmósfera si hubiera alguna fuga, diluyendo así sí mismo.

¡Suena como un lugar y una tarea bastante interesantes! Con el punto de ebullición del oxígeno (~ 90 K) 13 grados por encima del del nitrógeno (~ 77 K), ¿no hay suficiente rango de temperatura para almacenar LOX que no hierve sin condensar nitrógeno?
Excelente punto, me pregunto si he malinterpretado sus preocupaciones y era la condensación de algo más como la humedad lo que les preocupaba más.
Habiendo ayudado a mover cosas dentro y fuera de la Isla de Navidad a través de su... interesante falta de infraestructura de muelle un poco aturdido por la idea de construir un sitio de lanzamiento allí, habría sido un estudio interesante para preparar.
Es cierto que el costo del dragado hasta el puerto y la expansión de la capacidad del muelle/puerto fue una de las primeras inversiones necesarias para que la situación funcionara. Comenzar con una hoja de papel algo limpia fue una ventaja en algunos aspectos, ya que podíamos diseñar justo lo que necesitábamos. Las instalaciones de RocketLabs USA se parecen al nivel de infraestructura que teníamos en mente (aunque el tamaño de los tanques de almacenamiento y LV era muy diferente, por supuesto).
@uhoh tardío, pero: el problema con la contaminación por oxígeno es que el gas N2 está bastante feliz de entrar en solución con LOX, incluso muy por encima del punto de ebullición del N2. La razón por la que se permite que el O2 hierva evita que esto ocurra no es la diferencia de temperatura, sino el simple hecho de que la evaporación crea una capa autolimpiante de O2 gaseoso que continuamente elimina cualquier gas N2 que esté en contacto con el LOX.
La temperatura de ebullición del oxígeno puro es de 90,15 K, la del nitrógeno puro de 77,15 K y la del aire licuado de 78,9 K. El aire líquido en ebullición pierde más nitrógeno que el oxígeno y se vuelve rico en oxígeno. Pero la temperatura tiende a 81,7 K, por lo que no se convertiría en oxígeno puro.

Los propulsores criogénicos se pueden almacenar como líquidos sin evaporación, siempre que la presión de vapor a la temperatura de almacenamiento se encuentre dentro de los límites de trabajo seguros del recipiente de contención. La relación entre la temperatura y la presión de vapor viene dada por el diagrama de fase del compuesto. Aquí hay diagramas para oxígeno y metano. Los gráficos están desplazados lateralmente para que los ejes de temperatura se alineen.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Las líneas verde y roja muestran los límites de temperatura donde ambos son líquidos. Tenga en cuenta que no sirve de nada hablar de un "punto de ebullición" sin especificar la presión. El punto de ebullición del oxígeno a presión atmosférica es de -183 °C, pero a la presión del tanque de Starship (6 bar) es de -170 °C.

Digamos que quieres retener líquido O 2 a -170 °C / 6 bar. Llena su tanque y lo subenfría a -183 °C solo por si acaso. No importa qué tan bueno sea su aislamiento, si el tanque está en la Tierra o LEO, se calentará. La presión en el espacio libre subirá hasta alcanzar los 6 bar a -170 °C. La válvula de escape de seguridad ahora ventilará gases O 2 y el liquido O 2 comenzará a hervir. El calor de vaporización ( 6.82 k j metro o yo ) mantendrá líquido O 2 a -170 °C y presión a 6 bar hasta la última gota de O 2 hierve. La evaporación se convierte en su sistema de refrigeración para mantener el tanque a -170 °C. Si proporciona otro sistema de refrigeración para hacer el trabajo, le costará mucha energía y complejidad. Si tienes la planta de refrigeración a mano, tiene más sentido rellenar el líquido O 2 a medida que se evapora en lugar de bombear el contenido del tanque en un circuito a la planta y de regreso al tanque.

Una analogía útil es una olla hirviendo en la estufa. El agua se calienta hasta que alcanza su presión de vapor al nivel del mar (100 °C) y comienza a hervir. No importa qué tan caliente esté el elemento, el agua nunca se calienta más. A medida que el agua hierve, agrega agua fría del grifo para mantener el nivel alto.

En LEO, es el mismo problema que en la Tierra. Debido a la radiación IR de la Tierra (temperatura promedio de 16 °C) y el Sol (temperatura promedio muy caliente), el tanque intentará equilibrarse a (aproximadamente) 6 °C. Ver esta fuente . La refrigeración activa requeriría enormes paneles solares (que podrían dar sombra a su tanque en el lado orbital diurno: muy elegante). Olvídese del almacenamiento de batería para el lado nocturno orbital. La refrigeración pasiva mediante radiadores podría utilizarse en el lado de la noche.

Sospecho que SpaceX utilizará la gestión de suministro "justo a tiempo" junto con esfuerzos pasivos razonables en lugar de refrigeración.

Un petrolero Starship en LEO podría optimizar el diseño de su tanque para el almacenamiento térmico, con un diseño de "termo" de doble pared. Sería un ejercicio de diseño interesante elegir el espesor de pared SS304 para compartir la presión del tanque en el lanzamiento. Los muros adquieren su fuerza estructural al estar bajo tensión. Si no hubiera un diferencial de presión en cada capa, no contribuiría mucho a la resistencia axial.

"Un petrolero Starship en LEO podría optimizar el diseño de su tanque para el almacenamiento térmico, con un diseño de "Termos" de doble pared". Ojalá ya hubiera algo de vacío en el espacio, para que esto no fuera necesario.
Nuevamente, al superponer o interconectar dos gráficos como ese, es imperativo que tenga el eje de unión ALINEADO y de MISMA ESCALA. Ha alineado la marca de -200C, pero tenga en cuenta que los 0C están muy desalineados, porque los dos gráficos operan en una escala horizontal diferente.
¿Por qué los propulsores criogénicos no pueden almacenarse, al menos en el suelo, mediante refrigeración?
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