Hace un tiempo, Ars Technica hizo una gran historia sobre el cohete Firefly en desarrollo.
Una característica clave del diseño es que utilizará su propio propulsor para autopresurizarse (autógeno). Al principio pensé que entendía esto bien, pero en conversaciones en línea posteriores sobre esto, descubrí que este detalle es en realidad muy controvertido. Aquí está la parte del artículo que plantea preguntas, con el énfasis mío.
el combustible calentado se convierte en gas caliente, que luego se usa para presurizar los tanques de combustible. Como se señaló anteriormente, el resultado final de esto es un tanque de combustible lleno con más combustible quemable, en lugar de un presurizante inerte como el helio. Esto hace que el aerospike de Firefly sea totalmente autopresurizable .
Nadie discute que el método puede presurizar el tanque de combustible . El problema es la redacción "totalmente". Aparentemente, algunas personas creen que el tanque de oxígeno líquido no se puede presurizar con el mismo método, porque esto daría como resultado gas de oxígeno a alta temperatura o gas rico en oxígeno (esto es lo que yo entiendo, lo que podría tener sus fallas). La lógica es que:
El oxígeno caliente oxidará prácticamente cualquier cosa que no esté ya oxidada.
Revisando algo de literatura sobre el tema, parecen tener razón. La presurización autógena se aborda para un tanque de hidrógeno en este artículo, por ejemplo. Pero todavía hay varios elementos de los que no puedo convencerme.
¿La presurización autógena necesariamente elevaría la temperatura del tanque de todos modos? Incluso si el tanque de oxígeno estuviera presurizado con una mezcla de gas rica en oxígeno de CO2 y/o H2O, no necesariamente tiene que estar extremadamente caliente. Ya tiene fluidos criogénicos para intercambiar calor, por lo que tal vez esté por debajo de la temperatura ambiente y, en general, no sea un gran problema.
Si tomo la declaración de "autopresurización total" como un error exclusivo del periodista, entonces parece que el diseño de Firefly no tiene ningún sentido. Si va a usar helio para presurizar el tanque de oxígeno, entonces usar la presurización autógena del tanque de combustible claramente no disminuirá la complejidad. Dos métodos diferentes de presurización de tanques suenan increíblemente complicados.
Entonces, ¿cuál es el trato? ¿Hay algún trasfondo creíble detrás de los diseños para la presurización autógena del tanque de oxígeno líquido? ¿Es esta debacle solo una mala redacción o una puesta en marcha equivocada?
Si la pregunta es si tal sistema es factible, la respuesta es sí, es 100% factible, porque STS usó exactamente este sistema. Los tanques LOX y LH2 en el ET fueron presurizados en la plataforma con helio suministrado por GSE. Después del inicio de SSME, los tanques fueron presurizados por propulsores gaseosos extraídos de los motores.
De la referencia de prensa del transbordador de la NASA de 1985 :
Una vez que el oxígeno líquido está cargado y listo para el encendido del motor principal, se cierra la ventilación y la válvula de alivio del tanque de oxígeno líquido, y el tanque se presuriza a 21 psig con helio suministrado por GSE. Durante el empuje del SSME, el oxígeno líquido sale del tanque externo a través del umbilical del orbitador/tanque externo hacia el MPS del orbitador y hacia cada SSME. La presurización en el tanque se mantiene con oxígeno gaseoso extraído de los tres motores principales y suministrado al tanque de oxígeno líquido a través del umbilical de oxígeno gaseoso del orbitador/tanque externo.
y
Cuando el hidrógeno líquido está cargado y listo para el encendido del motor principal, la ventilación y la válvula de alivio del tanque de hidrógeno líquido se cierran y el tanque se presuriza a 42,5 psia con helio suministrado por GSE.
Aproximadamente 45 minutos después de que comience la carga, tres bombas eléctricas de hidrógeno líquido en el orbitador comienzan a hacer circular el hidrógeno líquido en el tanque externo a través de los tres SSME y de regreso al tanque externo a través de un umbilical de recirculación especial. Esta recirculación enfría las líneas de hidrógeno líquido entre el tanque externo y la turbobomba de combustible de alta presión en los SSME para que el camino esté libre de burbujas de hidrógeno gaseoso y esté a la temperatura adecuada para el arranque del motor. La recirculación finaliza aproximadamente seis segundos antes del arranque del motor. Durante el empuje del motor, el hidrógeno líquido fluye desde el tanque externo y a través del umbilical de hidrógeno líquido del orbitador/tanque externo hacia el MPS del orbitador y hacia los motores principales.La presurización del tanque se mantiene con hidrógeno gaseoso extraído de los tres SSME y suministrado al tanque de hidrógeno líquido a través del umbilical de hidrógeno gaseoso del orbitador/tanque externo.
Al describir una instancia de un sistema de presurización autógena, el Apéndice E de Una revisión de las necesidades de propulsión aeroespacial de la Fuerza Aérea y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (descargado de: http://www.nap.edu/catalog/11780.html ) establece:
[Presurización de vapor] utiliza la energía interna de un líquido almacenado en un recipiente cerrado para realizar el trabajo necesario para expulsar el líquido del recipiente. Antes de comenzar, la temperatura del líquido a granel se ajusta para que la presión de vapor sea igual a la presión deseada del tanque. El líquido está en equilibrio térmico con los vapores saturados presentes en el vacío del tanque (otros gases excluidos). Cuando se abre la válvula del tanque, drenando el líquido o el vapor, la presión del tanque cae, alterando el equilibrio vapor-líquido. En este punto, el líquido hierve, creando vapor adicional y tendiendo a contrarrestar la reducción de presión.
Esto significaría que el oxígeno gaseoso no sería apreciablemente más caliente que el LOX debajo de él en el tanque.
uwe
Christopher James Huff
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