¿Qué es "anti-geysering" y por qué lo apagaría 70 segundos antes del lanzamiento?

respuesta parcial a

Que es "anti-geisering"...

tl;dr Los sistemas anti-geisering están destinados a detener el geisering, que es un fenómeno que puede ocurrir en tuberías verticales largas de fluido criogénico que da como resultado que el fluido salga de la tubería hacia el vacío del tanque con resultados potencialmente malos para el vehículo.

• ¿Qué es un géiser en primer lugar?

El fenómeno del géiser es la rápida expulsión de un líquido hirviendo y su vapor desde un tubo vertical. Por ejemplo, en el caso de una columna vertical larga de fluido conectada a un depósito, como la bajante LO ₂ al tanque LO ₂ del transbordador espacial, la línea está sujeta al calentamiento ambiental de arriba a abajo. A medida que comienza este calentamiento, el fluido adyacente a la pared se calienta y se vuelve menos denso que el fluido en el centro de la línea. Debido a esta diferencia de densidad, se establece un patrón de convección y el fluido tibio se eleva a lo largo de la pared del tubo mientras que el fluido más frío del depósito desciende por el centro de la línea, manteniendo el sistema en equilibrio.

A medida que continúa el calentamiento, se establece una capa límite a lo largo de la pared y crece en espesor con el tiempo. Esta capa también crece en espesor desde el fondo del tubo hacia la parte superior del tubo. Si la tasa de calentamiento es suficiente para hacer que la capa límite crezca y llene el tubo, se detiene el flujo de fluido frío del depósito, deteniendo así el patrón de convección. Con el cese de la convección, el calentamiento adicional hace que aumente la temperatura en el fluido. Eventualmente, una parte del fluido se satura y comienza la ebullición. Se forman burbujas en la pared de la línea de alimentación y luego se desprenden y comienzan a subir en el líquido. A medida que ascienden, se fusionan y forman una gran burbuja de "Taylor". La formación de la burbuja grande da como resultado una presión reducida debajo de ella y, en consecuencia, se forman más burbujas en el líquido saturado. Esta reacción autosostenida ocurre rápidamente y forma vapores más rápido de lo que pueden escapar de la línea de alimentación. Como resultado, el vapor es expulsado rápida y violentamente de la línea de alimentación como un géiser. El géiser y el subsiguiente efecto de golpe de ariete, causado por el llenado rápido del tubo desde el depósito, pueden causar daños severos al sistema.

La expulsión de líquido criogénico de la línea de alimentación al tanque del vehículo por la burbuja que sube rápidamente, generalmente no da como resultado daños al tanque o la línea de alimentación. Sin embargo, si esta expulsión ocurre cuando el tanque contiene un gran volumen de vacío caliente, puede ocurrir la implosión del tanque de propelente. Grandes cantidades de gotitas de líquido frío se expulsan al volumen vacío. Las gotitas expulsadas provocan un rápido enfriamiento y contracción del gas de vacío caliente. Como resultado, la presión del tanque puede caer por debajo de la presión atmosférica como se muestra en la Figura 6.4-I. Si la presión del tanque cae significativamente, la implosión del tanque es posible.

Esta condición se evita mediante la instalación de un simple deflector sobre la salida del tanque. El deflector dispersará el líquido expulsado y evitará el enfriamiento rápido del gas sobrante. Una vez que el tanque está lleno de líquido y el vacío es pequeño y frío, este efecto de géiser no presenta ningún problema.

El principal efecto de géiser que puede causar daño al vehículo no ocurre durante el géiser sino durante el llenado de la línea de alimentación inmediatamente después del géiser. Cuando ocurre el géiser, la línea de alimentación se vacía esencialmente de todo, excepto de los vapores propulsores fríos. A medida que la línea se vuelve a llenar con líquido frío, los vapores se condensan en la interfaz del líquido. A medida que los vapores se condensan, no amortiguan el líquido que cae.

La presión de impacto en la parte inferior de la línea, resultante de la recarga no amortiguada, puede ser extremadamente alta e impredecible. Este efecto de golpe de ariete se muestra en la Figura 6.4-II. Las altas presiones resultantes del relleno pueden provocar fallas catastróficas en las líneas de alimentación livianas y de baja presión.

• "anti-geysering" es la provisión de sistemas en el vehículo de lanzamiento para evitar los geysering.

Para evitar la formación de géiseres, el líquido en la línea de alimentación debe mantenerse subenfriado.

• ejemplos de sistemas anti-geisering

1. sistemas que hacen circular fluido frío a través de la línea de alimentación
2. refrigeración por inyección de helio que

... consiste en lugar de la inyección de helio directamente en la parte de popa de la línea de alimentación principal. La saturación local se evita mediante la evaporación de LO ₂ en las burbujas de helio ascendentes. Cuando las burbujas de helio ascienden, su volumen aumenta a medida que disminuye la presión local en la línea. La evaporación de LO ₂ en la burbuja continúa, manteniendo la burbuja saturada con vapor de LO ₂ .

Fuente: Space Shuttle Booster Systems Briefs sección 6.4

Cómo funciona físicamente este enfriamiento por inyección de helio se explica bien en la respuesta aquí. ¿ Por qué los tanques LOX subenfriados deberían "llenarse" hasta el último minuto más o menos?

• sin ningún conocimiento de los detalles sobre Electron, no puedo comentar qué sistema usan o por qué lo desactivan en un punto particular de la cuenta regresiva. Shuttle apagó su sistema anti-géiser unos 250 segundos antes del lanzamiento, pero por razones que pueden o no aplicarse a Electron. Esta buena respuesta El papel del helio suministrado desde tierra en la etapa S-1C explica que Saturno V apagó su sistema anti-géiser antes del encendido para proporcionar fluido sin burbujas a los motores.