¿Problemas al comprimir los tanques de helio dentro del tanque LOX de la segunda etapa F9 en el último minuto?

Una reciente " Actualización de anomalías " fechada September 23, 1:00pm EDTpor SpaceX, incluye la oración:

"En esta etapa de la investigación, la revisión preliminar de los datos y los escombros sugiere que se produjo una gran brecha en el sistema de helio criogénico del tanque de oxígeno líquido de la segunda etapa".

Esto se ha repetido en varios medios de comunicación, pero spaceflightnow agrega:

El tanque de oxígeno líquido de la etapa superior del cohete Falcon 9 contiene varios recipientes compuestos de helio, cada uno presurizado a aproximadamente 5500 libras por pulgada cuadrada en vuelo. El helio se enruta a través del motor Merlin de la segunda etapa, donde el helio se calienta y se inyecta en los tanques de propulsor del cohete para presurizar la etapa mientras el lanzador quema combustible, manteniendo la estructura de los tanques en buen estado.

Mientras que el helio criogénico estaba a bordo del Falcon 9 en el momento de la explosión, el percance ocurrió unos ocho minutos antes de que los motores principales del cohete estuvieran programados para encenderse para la prueba de "fuego estático" en la plataforma el 1 de septiembre.

En ese punto de la cuenta regresiva, los tanques de propulsor normalmente no están presurizados para el lanzamiento.

Estoy tratando de entender las implicaciones detrás: "El tanque de oxígeno líquido de la etapa superior del cohete Falcon 9 contiene varios recipientes compuestos de helio...". Según esta respuesta , "en el cambio a Falcon 9 v1.1 y el motor Merlin 1D, los trasladaron a los tanques LOX en ambas etapas. Esto despejó mucho el área del motor". - también mencionado en esta respuesta - Puedo ver que los tanques de helio se han reubicado dentro de los tanques LOX por varias razones prácticas, incluido el diseño / disposición y la gestión térmica - dentro de los tanques LOX la temperatura es mucho más fría que el ambiente.

A una presión máxima dada, una temperatura más baja permite que se almacene más helio en los tanques, o se pueden usar tanques más pequeños/livianos para una cantidad fija de helio, aunque no estoy seguro de la razón real. El LOX en ebullición es de aproximadamente 90 K (solo alrededor de un tercio de la temperatura ambiente absoluta), y SpaceX (¿a menudo/generalmente?) se subenfría por debajo de eso para empacar aún más LOX en los tanques.

  1. ¿El helio ahora está sustancialmente más frío al mover los tanques dentro del tanque LOX, o simplemente es más fácil mantenerlos fríos, evitando los enfriadores y el aislamiento?
  2. Si los tanques de helio se presurizan solo en los últimos minutos antes del lanzamiento, ¿comprimir este gas a aproximadamente 400 atmósferas no genera una gran cantidad de calor? Si los tanques tienen un tamaño fijo, la presión aumentará constantemente a medida que se llena, y eso genera una fuente de calor dentro del tanque LOX justo antes del lanzamiento. Puedo entender agregar el helio de antemano , dejar que se enfríe un poco después de la compresión y luego llenarlo con LOX, pero ¿no sería incompatible comprimir el helio en el tanque en el último minuto con LOX subenfriado?
  3. O bien, puede "... cada uno presurizado a aproximadamente 5500 libras por pulgada cuadrada en vuelo". tomarse literalmente: ¿el tanque se presuriza en vuelo? La presurización se produce en vuelo ?
  4. Y lo hace "En ese punto de la cuenta regresiva, los tanques de propulsor normalmente no están presurizados para el lanzamiento". se refieren a LOX y RP-1 pero no a helio? ¿El helio está presurizado pero no los propulsores, o esto también se refiere a que el helio no está presurizado?

Considere por un momento los tanques de oxígeno NORS de 6000 psi para enviar a la ISS como se describe en esta respuesta . Según ese artículo:

Trabajando dentro de la bahía alta de la Instalación de Procesamiento de la Estación Espacial en Kennedy, alrededor de una docena de personas realizan las operaciones para llenar un solo tanque después de dos o tres días de inspecciones y preparativos del puesto de trabajo. Trabajan a unos 40 pies del soporte con el tanque y lo dejan solo por un día para que se enfríe después de la presurización. (mi énfasis)

El equipo realizó varios llenados en otros tanques para asegurarse de que el proceso pudiera manejarse de manera segura y realizarse según lo planeado.

"Realmente no hay otro lugar en el mundo que opere hasta 10,000 libras por pulgada cuadrada como este en un entorno operativo", dijo Bigos. "Tuvimos que ser excepcionalmente cautelosos. Todavía no son operaciones normales del día a día, pero estamos llegando".

No parece que desee presurizar un tanque de 6000 psi sumergido dentro de un tanque LOX subenfriado solo unos minutos antes del despegue, debido a la generación de calor, aunque no sea por otra razón. Los tanques de helio pueden o no ser más pequeños, pero este no es un lugar donde le gustaría generar mucho calor.

ingrese la descripción de la imagen aquí

arriba: tanque de oxígeno NORS desde aquí . Crédito: NASA, recortado/girado.

Sé que es solo el color y la forma general, pero solo mirar eso me pone nervioso; creo que me recuerda a esto por alguna razón.

Siempre puede llenar un tanque de LOX hirviendo en el último minuto, pero no creo que realmente pueda volver a enfriar un tanque de LOX dentro de un cohete. El calor introducido en el LOX subenfriado aumentará su temperatura y el LOX se expandirá y su densidad disminuirá, a menos que también haya "enfriadores" adicionales allí.

Sin embargo, en cualquier caso, ahora entiendo que la presión del helio todavía se usa fuera del tanque LOX y que se movieron adentro por otras razones.

Este informe de noticias espaciales sobre su incidente en vuelo incluye una explicación del arreglo de tanque dentro de tanque. Aparentemente hay múltiples tanques de helio dentro del tanque LOX.
Los tanques de helio están sumergidos en el tanque LOX. Esto no es nuevo, aquí hay una foto de los tanques de helio dentro del tanque LO2 de la primera etapa del Saturno V scontent.fhou1-1.fna.fbcdn.net/v/t1.0-9/…
Están presurizados desde los sistemas de tierra. La temperatura en un tanque LOX no es lo suficientemente baja como para que el helio se licue.
Foto increíble de @OrganicMarble: todo un recordatorio de que no todos los cohetes tienen 3,66 metros de diámetro :-)
El helio líquido es mucho más frío que el oxígeno líquido. (He 4,2 K, O2 90,15 K) Si hay un tanque para helio líquido dentro del tanque para LOX, el tanque de helio debe estar aislado; de lo contrario, hervirá una gran cantidad de helio y el oxígeno en la superficie exterior del tanque de helio se evaporará. solidificar. Para obtener un tanque de helio liviano que contenga mucho helio, el helio líquido es superior al helio gaseoso a alta presión. Calentar el helio criogénico cerca del motor podría ser la diferencia de temperatura de 4,2 K a aproximadamente 90 K, del helio líquido al helio gaseoso a la temperatura de LOX. Calentando mucho el helio
más alto no es útil, se enfriaría rápidamente dentro del tanque LOX y el volumen y la presión del helio gaseoso serían mucho menores que.

Respuestas (2)

  1. Es mucho más fácil enfriar el He colocando el tanque dentro del tanque LOX. Si tuviera un tanque de He afuera, tendría que aislarlo y proporcionar enfriamiento activo. Ambos añaden peso y complejidad.

  2. Los tanques de propulsor se pueden presurizar en el último momento: los llena a presión atmosférica y ventila la evaporación (si la hay). Para LOX de punto de ebullición: cuando el tanque está lleno, cierra la válvula de ventilación hasta que la ebullición presuriza el tanque al valor que desea. Para LOX subenfriado, cierre la válvula de ventilación y use He para presurizar el tanque. El llenado a presión atmosférica funciona porque el LOX es un líquido. No puedes hacer esto con un tanque que contiene He gaseoso.

    Si llenaban los tanques de He durante la carga del propulsor, introducirían una gran fuente de calor en el tanque de LOX subenfriado, lo que provocaría grandes cantidades de evaporación. Aún así, eso es lo que hacen, según la guía del usuario . "Al principio de la cuenta regresiva" puede ser tan solo 1 hora antes del lanzamiento.

    Al comienzo de la cuenta regresiva, el vehículo realiza LOX, RP-1 y carga presurizante,

  3. No.

  4. Él no es un propulsor. Solo se refiere a RP-1 y LOX.

Esta secuencia de cuenta regresiva confirma: He y LOX se cargan simultáneamente en T -30 minutos.

Entonces, para el artículo 2, si ese fuera el caso, ¿se enfriarían aproximadamente a la temperatura LOX durante el llenado a 5500 psi? ¿Eso significa que la presión se triplicaría si llegaran a la temperatura ambiente? (por supuesto, habría varios mecanismos de liberación de sobrepresión, por lo que eso no debería suceder realmente). Solo estoy pensando que un par de tanques llenos a 5500 psi a <100K son algo que realmente es mejor mantener fríos una vez llenos. Después del llenado, mientras se mueve el cohete y antes de repostar, debe haber algún mecanismo de refrigeración fiable.
Basado en 3 y 4, tal vez la línea "En ese punto de la cuenta regresiva, los tanques de propulsor normalmente no están presurizados para el lanzamiento". es un poco una pista falsa: la presión del tanque de helio puede ser la presión relevante, no la presión de los propulsores.
¿Dónde encontraste eso? ¿Se aplica después de que el helio se movió adentro? De esta respuesta "En el cambio a Falcon 9 v1.1 y el motor Merlin 1D, los trasladaron a los tanques LOX en ambas etapas. Esto despejó mucho el área del motor".
Acabo de encontrar esto en spaceflight101.com/spacerockets/falcon-9-v1-1-f9r "El gas del generador fluye a través de un intercambiador de calor que calienta el gas helio para la presurización del tanque en vuelo antes de ser arrojado por la borda a través de un escape". El helio se discute en varios lugares allí. Quizás el helio esté presurizado en vuelo después de todo, y en realidad no esté estático a 5500 psi.
Los tanques LOX y RP están presurizados a algo así como 5 bar, no 370 bar. El tanque de He debe contener suficiente gas para llenar todo el tanque de LOX a 5 bar. Para mantener bajo el tamaño del tanque de He, querrán que la presión sea lo más alta posible.
Los tanques de helio del transbordador no estaban en los tanques de apoyo, no se enfriaban activamente y no estaban aislados. No eran para la presurización de tanques. Fueron ~ 4500 psi en el lanzamiento IIRC.
sigo sin entender No puede evaporarse de LOX subenfriado, a menos que tenga subdivisiones del agradecimiento a diferentes temperaturas. No creo que pudieras haber subenfriado LOX en el 80% inferior y hervir LOX en la parte superior al mismo tiempo. Tiene que ser uno o el otro.
Se corrigió el punto 2 para diferenciar entre LOX subenfriado y punto de ebullición.
Creo que hay "múltiples helios", disculpe el término. Además del gas de helio a alta presión dentro de los COPV , vea las preguntas y respuestas , en el programa de cuenta regresiva en la página SF101 sin fecha en su enlace, seguramente parece que el helio criogénico es helio líquido usado para mantener la temperatura LOX subenfriada, o líquido helio utilizado en el criobombeo, o ambos. Las criobombas son rápidas y, si usaran dewars LHe en lugar de compresores, pueden ser grandes y no tan sensibles a las vibraciones, fuerzas, pares de torsión, etc.
@Hobbes ... y acabo de hacer esta pregunta . Y antes esta pregunta también.
"Quizás el helio esté presurizado en vuelo después de todo..." Un intercambiador de calor no es una bomba. Creemos que un gas calentado aumenta la presión pero, por supuesto, esto solo es cierto en una situación de volumen constante. Un intercambiador de calor está abierto en ambos extremos. Los tanques de helio COPV de F9 están ubicados en el tanque LOX para aumentar los moles de helio que se pueden almacenar en un cierto volumen y presión manteniéndolo frío. El helio frío de los COPV se calienta en el intercambiador de calor para aprovechar la expansión térmica para aumentar el volumen efectivo del helio. Pero el intercambiador de calor no aumenta la presión.

El He se almacena como un gas muy comprimido (tanque de alta presión) a temperatura LOX O se almacena como un líquido 4K aún más frío (dewar de presión moderada).

La cantidad de He debe ser suficiente para expandirse o vaporizarse para llenar los tanques de combustible y LOX vacíos a la presión de vuelo. Recuerde que el He líquido ocupa mucho menos volumen que el He comprimido .

Cualquier técnica funcionará:

  • Si se usa un tanque de gas He comprimido , la válvula de servicio se cierra hasta que los tanques de LOX/combustible necesiten presión en vuelo. El llenado de He puede realizarse en cualquier momento y la presión está lista de inmediato. Es posible que se produzca cierta transferencia de calor durante el llenado, según la velocidad y el método de llenado de líquido/gas. Durante el vuelo, el gas presurizado se calienta en el motor para evitar que la introducción de He en los tanques a bajas temperaturas causada por el enfriamiento adiabático (Joule-Thompson) provoque que el LOX/combustible se congele y bloquee las tuberías.

  • si el He dewar es líquido, entonces el llenado puede ocurrir antes, durante o después del llenado de LOX/combustible. No habrá calentamiento cuando se llene el líquido He , sino que se producirá un poco de enfriamiento cuando el interior del dewar alcance los 4K. La evaporación se ventila hasta que se necesita la presión del tanque, momento en el cual se cierra la ventilación y la evaporación se presurizará a LOX/ tanque de combustible a la presión de trabajo. Durante el vuelo, la velocidad de ebullición se mantiene dirigiendo el He líquido a través del motor para hervirlo y mantener la presión en los espacios de vapor del tanque de combustible/LOX .

La calefacción del He proporcionará un agradable enfriamiento del motor sin costo adicional.

Ambas opciones se benefician de la colocación en el tanque LOX .

  • La opción de He comprimido se beneficia del ahorro de espacio ya que los vacíos geométricos alrededor de un tanque de alta presión se llenan con LOX y no se desperdicia espacio.
  • La opción de He líquido se beneficia al tener una reducción de temperatura primaria libre alrededor del Dewar a temperaturas LOX mientras está en la plataforma y poder usar He líquido en un Dewar de pared delgada porque la presión interna diferencial en el Dewar es solo la que se necesita para alimentar el He líquido a través del intercambiador de calor basado en el motor.

La alternativa de un tanque externo requiere un tanque muy resistente para gas a alta presión o un dewar resistente y bien aislado para líquido.

La baja temperatura del He en expansión sería un problema potencial en el tanque de combustible , ya que se congelaría alrededor del Dewar y las tuberías en vuelo y los beneficios de las temperaturas criogénicas de LOX se perderían si se usa la opción de He líquido .

Muchos de los comentarios en este hilo apuntan al hecho de que el He en el tanque de LOX es líquido y esto tendría los mayores beneficios al mover el almacenamiento de He dentro del tanque de LOX .

EDITAR:
Está claro que el helio en el tanque es inicialmente más frío que el LOX. También parece que los tanques de He tienen una estructura compleja con un revestimiento interno de aluminio rodeado por un elemento de resistencia compuesto. El problema durante el llenado parece haber sido el frío más que el calor. Los tanques de He parecen poder manejar altas presiones en lugar de grandes diferencias de temperatura. Parece que están llenos de He líquido y luego mantienen He presurizado mientras se calientan a la temperatura LOX . La técnica de llenado más lenta que se ha propuesto puede usar He presurizado para llenarlos causando MÁS carga de calor en lugar de menos, pero tal vez evitando el sólido sospechoso.formación de O2 . https://www.geekwire.com/2017/spacex-falcon-failed-helium-tank-iridium-jan-8/

Esta respuesta parece ser completamente sobre los beneficios generales de colocar un tanque de helio dentro de un tanque LOX, pero la pregunta es específicamente sobre las prácticas particulares de SpaceX y el programa de cuenta regresiva inusual.
@NathanTuggy Eso es cierto, sin embargo, parece haber tanta confusión en los comentarios sobre cómo funcionan los sistemas que tener las dos opciones claramente definidas hará que todos los demás comentarios y respuestas sean más fáciles de leer. También está bastante claro que los tanques de alta presión ya no son necesarios si hay un líquido He Dewar en el tanque LOX. Es posible que el entusiasmo periodístico haya confundido los sistemas de He presurizado vs líquido.
Las aclaraciones a una pregunta no pertenecen como respuestas , cualquiera que sea su mérito. Y cualquier cosa que deba leerse antes de que varias respuestas puedan entenderse adecuadamente ciertamente no es una respuesta.
Votado a la baja hasta que proporcione una referencia que indique explícitamente que se usa helio líquido.
No hay nada intrínsecamente malo en hacer una pregunta y luego responderla uno mismo. Podría considerar hacer una nueva pregunta para la cual esta es la respuesta, y luego publicarla como la respuesta allí . Ambos estarían sujetos a votación, por supuesto. O simplemente podría hacer una pregunta del tipo "¿Se ha usado helio líquido en..." y eso podría generar un mejor espacio para explorar la pregunta? Esa podría ser una manera muy interesante de hacerlo.
¿Problemas al comprimir los tanques de helio dentro del tanque LOX de la segunda etapa F9 en el último minuto?
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