¿Se puede usar la expansión criogénica de oxígeno líquido e hidrógeno líquido para bombear un motor de cohete?

Un combustible común entre los cohetes es el de la combinación de hidrógeno líquido criogénico y oxígeno líquido. Examiné el diseño de un cohete simple usando este cóctel que es el propulsor y descubrí que el propulsor antes mencionado necesita una bomba o un gas inerte para bombear el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido a la cámara de combustión del cohete. Los líquidos criogénicos tienen relaciones de expansión extremas cuando alcanzan su punto de ebullición y el gas se expande dentro del recipiente, y si se trata de un recipiente sellado, esto significa que se acumula presión. Mi pregunta es así; ¿No puedes calentar el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido dentro de los tanques de combustible de un cohete, el hidrógeno y el oxígeno criogénicos se expanden y crean presión en el tanque de combustible sellado?

Pero no en los tanques en sí, porque la presión que se necesita tiene que ser mayor que la presión de la cámara de combustión, y eso es mucho en.wikipedia.org/wiki/Expander_cycle ..
Sí, pero el hidrógeno líquido tiene una relación de expansión de 1 a 851 y la relación de expansión del oxígeno líquido es de 1 a 860. Precalentamiento antes del lanzamiento para generar presión inicial y luego usar un intercambiador de calor, como en el artículo de wikipedia que citó, podría proporcionar la presión para el resto del vuelo del cohete. Eso es mucho calor y mucho líquido criogénico con una relación de expansión muy alta que se expandiría creando una presión inmensa.
No querrás que tus tanques tengan una presión tan alta. Para soportar esa presión, serían increíblemente pesados. Dicho esto, no es raro que se extraiga gas para mantener la presión de vacío en los tanques por razones estructurales y para mantener una presión de entrada suficiente para evitar la cavitación en las bombas. Sin embargo, esta es una presión mucho más baja, similar a la que hay en los neumáticos o en una lata de refresco.
Está tomando un combustible de alto costo y alto rendimiento que tiene problemas de relación de masa y lo combina con un sistema de propulsión de bajo costo y bajo rendimiento que logra la simplicidad a costa de una gran masa seca. Podría funcionar, pero los dos niegan las ventajas del otro mientras amplifican sus desventajas... probablemente no sea una buena combinación de compensaciones.
Todavía hay motores de definición de presión que pueden superar las penalizaciones de peso de reforzar el tanque. El mayor problema es la presión de vapor del propulsor y el oxidante que puede limitar la presión de la cámara. El etano y el óxido nitroso es una combinación con una presión de vapor muy alta y se han escrito algunos artículos al respecto, así como el propulsor NOP que utiliza presurización autógena. Esto no usó otros gases como nitrógeno o helio, sin embargo, había un 20% de propelente residual donde todo el líquido se había evaporado y la presión no podía mantenerse por más tiempo.

Respuestas (1)

Esto se conoce en la presurización autógena https://en.wikipedia.org/wiki/Autogenous_pressurization Los tanques están presurizados para ayudar a mantener la integridad estructural y ayudar en la entrada de propulsor a las turbobombas. Pero presurizar los tanques de propulsor no es lo mismo que forzar el propulsor hacia la cámara de combustión. Las presiones de salida de las turbobombas de cohetes son realmente muy altas, más altas incluso que la presión en la propia cámara de combustión.

Por ejemplo, en el motor Raptor, se cree que la presión en las turbobombas supera las 600 atmósferas. La cámara de combustión ronda las 300 atmósferas https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Raptor_Engine_Unofficial_Combustion_Scheme.svg

Los tanques propulsores principales de Starship (para los que se está construyendo el motor Raptor) han sido probados a presión y se rompen a 8-9 atmósferas, por lo que ponerlos a más de 600 atmósferas solo causaría una explosión e incluso si fuera posible, consumiría una gran cantidad de combustible. cantidades de propelente para llenar los tanques a 600 atmósferas.

Otro problema que puede surgir con la presurización autógena es la condensación. Este es un problema particular si el cohete está destinado a realizar cambios significativos de dirección mientras los motores están encendidos (como lo fue Starship). Si se produce chapoteo y rociado criogénico dentro de los tanques durante una maniobra, los gases autógenos calientes entran en contacto con un área de superficie mucho mayor de líquido criogénico frío y se condensan rápidamente reduciendo la presión. Este problema fue uno de los principales contribuyentes a varios accidentes de prototipos de Starship. Creo que SpaceX ahora está aumentando la presurización autógena de Starship con helio al menos a corto plazo.

¿Se puede usar la expansión criogénica de oxígeno líquido e hidrógeno líquido para bombear un motor de cohete?
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