Aquí está mi entendimiento, avíseme si lo entendí bien o mal:
Hasta hace poco, la mayoría de los propulsores criogénicos estaban en su punto de ebullición o cerca de él. Cada unidad de calor que se filtra al tanque herviría una unidad correspondiente de propulsor y la temperatura se mantendría constante. Esto es más o menos como agregar agua de "reposición" casi hirviendo a una olla de agua hirviendo. Puede ser un poco más fresco, pero no mucho.
Pero en el caso de LOX subenfriado, la temperatura está muy por debajo del punto de ebullición, entre 10 y 30 grados C, según el caso. Cuando el calor se filtra hacia el tanque, aumentará la temperatura del LOX que luego se expande. Un tanque lleno se desbordaría, permaneciendo lleno pero con menos masa de LOX debido al cambio de densidad.
No habría evaporación para "compensar" al completarlo. Permanecería lleno pero disminuiría constantemente en densidad a medida que se calentara.
Entonces, para un cohete con el tanque de la primera etapa lleno de LOX bien subenfriado, ¿por qué necesitaría "llenarse" hasta el último minuto antes del lanzamiento?
Este video en su T -00:05:05
tiempo de video 06:52, mi transcripción aproximada de la narración:
En este momento estamos llegando a la marca de cinco minutos aquí, estamos concluyendo la carga del RP-1 en la primera etapa […] y también estamos llenando de oxígeno líquido en esa primera etapa, y Voy a seguir completando eso durante unos dos minutos más.
El video ya está en cola en el código de tiempo apropiado (en este caso, creo que la edición del video es definitiva):
A una presión de 1 bar, la temperatura del oxígeno líquido en ebullición se estabiliza a 90 K. Para el subenfriamiento de LOX, la temperatura debe ser más baja. Es posible enfriar LOX por evaporación forzada a una presión inferior a 1 bar. Pero el tanque LOX en un cohete debe ser lo más liviano posible. Si la presión dentro del tanque es sustancialmente más baja que en el exterior, se necesita más fuerza y peso. Pero de acuerdo con estos documentos: (1) (2) y (3) hay otro método.
Se inyecta gas helio frío en el fondo del tanque y las burbujas se elevan en el LOX. En la superficie de las burbujas, el LOX se evapora en la burbuja y enfría el LOX restante. Pero se necesita espacio extra para las burbujas en el LOX y para la mezcla gaseosa de helio y oxígeno por encima del nivel del líquido. Para rematar, se detiene la inyección de helio y se llena el espacio restante con LOX. La Figura 8 del primer artículo muestra el efecto de diferentes temperaturas del gas helio. El enfriamiento funciona mejor con helio a 85 K, pero incluso el helio a 150 K enfría el LOX.
Una burbuja inyectada en el LOX consiste en un 100 % de helio y un 0 % de oxígeno al principio. El LOX alrededor de esta burbuja herviría como en el vacío porque la presión parcial de oxígeno en esta burbuja es cero. Incluso una burbuja compuesta por un 50 % de helio y un 50 % de oxígeno puede enfriar el LOX a 90 K. Sin subenfriar en un tanque con LOX hirviendo a 90 K, el gas sobre el líquido es 100 % oxígeno y la presión parcial del oxígeno es 1 barra Si la presión parcial de oxígeno es inferior a 1 bar en el gas por encima del líquido o dentro de las burbujas, el LOX se enfría por evaporación.
En la plataforma de lanzamiento, el LOX se puede preenfriar usando un intercambiador de calor con nitrógeno líquido suministrado desde el suelo que hierve a 77,355 K. Para ahorrar peso en el cohete, este intercambiador de calor debe estar fuera del cohete pero cerca de él. El nitrógeno líquido y el oxígeno no deben mezclarse para evitar la disolución del nitrógeno dentro del LOX. Se puede usar enfriamiento con burbujas de helio dentro del tanque LOX del cohete.
Están discutiendo sistemas anti-géiseres como el que usamos en el tanque del transbordador espacial ET-LO2. Pero no vi la respuesta más obvia, la respuesta operativa. Todo el mundo estaba tan centrado en la termodinámica y las intrincadas diferencias entre la ebullición y la evaporación... pero nadie mencionó el acondicionamiento térmico de los motores.
Cómo se hace esto depende de los motores utilizados, pero en todos los casos (con propulsores criogénicos) debe enfriar la entrada del motor y todos los componentes que tocarán los criogénicos antes del arranque o, de lo contrario, tendrá lo que llamamos un " mal día". En el caso del Transbordador, hubo una tasa de purga constante de algo pequeña para LO2 (del orden de unas pocas libras/segundo, creo) pero como LH2 usaba bombas de recirculación, no tenían esa purga. Sin embargo, el transbordador también tenía una tasa de reabastecimiento constante para reemplazar el LO2 perdido debido a la evaporación y el drenaje. La presión de vacío cayó de alrededor de 17/18 psi al final del llenado hasta alrededor de 15 psi(g) en el conteo terminal.
El sistema anti-géiser era solo una simple inyección de helio utilizada para subenfriar el LOX, de modo que a flujos bajos/niveles de líquido bajos (por ejemplo, durante el llenado lento) no obtuviéramos la formación de burbujas de Taylor en la línea de alimentación y un evento de géiser: no teníamos para cargar propulsor adicional para eso, pero mitigó las temperaturas LOX durante el tanque y el reabastecimiento.
Me salí del tema ahí. Algunos cohetes volverán a alcanzar el nivel de vuelo poco antes del despegue para compensar la pérdida de propelente debido a la ebullición (¡MUCHO más frecuente que la evaporación!) y el acondicionamiento térmico del motor. Algunos vehículos, como el transbordador, reponen constantemente los niveles para mantenerlos al 100 % hasta el inicio de la secuencia de conteo terminal.
asdfex
UH oh
Hobbes
uwe
UH oh
uwe