Presurización autógena con propulsor subenfriado

Una vez que los tanques ya no están llenos, no tiene sentido mantener los propulsores subenfriados. Cuando enciende los motores, solo tiene que controlar la velocidad a la que se calientan el tanque y el propulsor, para mantener la presión por debajo de su límite.

El gas tibio que inyecte en el espacio libre para presurizar el tanque comenzará a calentar la superficie del líquido. Tendrás que adelantarte al enfriamiento y la condensación de este gas.

Así que hay un acto de equilibrio entre dos límites.

No hay nada de malo en que una sustancia exista tanto en forma líquida como gaseosa al mismo tiempo, como en este caso. De hecho, ¡ahí es donde está el equilibrio!

En primer lugar, no existe realmente un líquido en el vacío, siempre intentará llenarlo*, ya que el punto de ebullición disminuye con la disminución de la presión.

El principio de Le Chatelier es la ley que impide que el proceso vaya hacia cualquier extremo, ya sea todo gas o todo líquido:

• Si el líquido comienza a hervir , la presión aumenta, elevando el punto de ebullición, y las transiciones de fase consumen calor, bajando la temperatura.
• Si el gas comienza a condensarse , la presión disminuye, bajando el punto de ebullición, y el proceso es exotérmico, liberando calor por lo que sube la temperatura.

Se resiste cualquier intento del sistema de ir hacia cualquiera de los dos extremos.

"subenfriado", como se usa el término en esta configuración, significa que la temperatura del líquido está por debajo del punto de equilibrio (el punto de ebullición), pero la transición no será rápida. La única forma de conseguir que el líquido abandone más rápidamente el estado subenfriado sería suministrar calor desde el exterior, ya que el proceso es endotérmico. Además, el sistema se equilibra automáticamente: si extrae combustible del tanque y baja la presión, parte del líquido hierve hasta que se alcanza nuevamente el equilibrio. Luego deja de hervir. por último, los depósitos de combustible están bien aislados y, una vez rodeados de vacío, el flujo de calor es extremadamente lento. Como cualquier otro sistema criogénico, requiere un poco de refrigeración para mantenerse líquido a largo plazo.

_{*Hay factores que pueden evitar que el líquido hierva para llenar el vacío, como la tensión superficial y algunas fuerzas intermoleculares, pero esos factores generalmente se pueden ignorar.}

De hecho, el sistema de líquido criogénico enfriado por sib (enfriado) y su vapor (gas) es más estable que el mismo líquido cerca del punto de ebullición. La condensación en la superficie libre del propelente líquido es impulsada principalmente por difusión, que es un proceso lento. Desde el otro lado, una salpicadura repentina puede aumentar cien veces la superficie libre debido a las gotas y provocar una caída rápida de la presión. Tal salpicadura puede ser causada por una maniobra enérgica (pestaña). Incluso los motores Raptor se cambian a tanques de aterrizaje, las oscilaciones de presión se encuentran entre las causas sospechosas de fallas en el aterrizaje de SN 8 y 9. _

Aquí está mi comprensión actual de la situación.

Al leer la Disposición del tanque oxidante en cohetes con presurización autógena y esta y esta respuesta, parece que la presurización autógena de propulsores no se usa en propulsores subenfriados, sino que ocurre cuando la temperatura de los propulsores (y la superficie interna del tanque) está en el punto de ebullición. Agregar calor adicional generará presión o mantendrá la presión mientras los propulsores salen del tanque.

La principal ventaja del subenfriamiento es aumentar la densidad de modo que un tanque completamente lleno pueda contener una mayor masa de propulsor. Una vez que un propulsor comienza a agotarse (usarse) y digamos que se ha usado el 10% o el 20%, no hay más ventajas importantes para que esté a una temperatura por debajo del punto de boing, excepto quizás un poco de inercia térmica si el calentamiento en el espacio es no suficientemente aislado. Sin embargo, hasta ese momento, se debe utilizar un gas inerte para la presurización.

editar: como @oefe señaló en un comentario a continuación, en el video reciente Making Humans a Multiplanetary Species que comienza aproximadamente a las 32:38, Elon Musk analiza las ventajas de mantener temperaturas subenfriadas para propulsores líquidos, incluida la reducción de la cavitación dentro de las bombas turbo. Esto se analiza con más detalle en ¿Cómo (realmente) los propulsores subenfriados reducen la cavitación dentro de las turbobombas y facilitan la alimentación?

No creo que un propulsor pueda subenfriarse fácilmente y autopresurizarse "autógenamente" simultáneamente, lo que creo que es el punto clave de hacer su pregunta.

Se podría agregar calor al sistema cerrado dentro del tanque o pasando una pequeña cantidad de propulsor a través de un calentador y reintroduciéndolo. Creo que, en general, la "presurización autógena" se refiere a un sistema de este tipo, que puede o no cumplir con la definición termodinámica de un "sistema cerrado".

(Se pueden encontrar algunos gráficos de datos publicados sobre LOX y densidad RP-1 frente a temperatura en ¿El motor NK-33 requiere queroseno subenfriado tan frío que se convierte en cera? )