¿Por qué los tanques LOX subenfriados necesitan "llenarse" hasta el último minuto más o menos?

A una presión de 1 bar, la temperatura del oxígeno líquido en ebullición se estabiliza a 90 K. Para el subenfriamiento de LOX, la temperatura debe ser más baja. Es posible enfriar LOX por evaporación forzada a una presión inferior a 1 bar. Pero el tanque LOX en un cohete debe ser lo más liviano posible. Si la presión dentro del tanque es sustancialmente más baja que en el exterior, se necesita más fuerza y ​​peso. Pero de acuerdo con estos documentos: (1) (2) y (3) hay otro método.

Se inyecta gas helio frío en el fondo del tanque y las burbujas se elevan en el LOX. En la superficie de las burbujas, el LOX se evapora en la burbuja y enfría el LOX restante. Pero se necesita espacio extra para las burbujas en el LOX y para la mezcla gaseosa de helio y oxígeno por encima del nivel del líquido. Para rematar, se detiene la inyección de helio y se llena el espacio restante con LOX. La Figura 8 del primer artículo muestra el efecto de diferentes temperaturas del gas helio. El enfriamiento funciona mejor con helio a 85 K, pero incluso el helio a 150 K enfría el LOX.

Una burbuja inyectada en el LOX consiste en un 100 % de helio y un 0 % de oxígeno al principio. El LOX alrededor de esta burbuja herviría como en el vacío porque la presión parcial de oxígeno en esta burbuja es cero. Incluso una burbuja compuesta por un 50 % de helio y un 50 % de oxígeno puede enfriar el LOX a 90 K. Sin subenfriar en un tanque con LOX hirviendo a 90 K, el gas sobre el líquido es 100 % oxígeno y la presión parcial del oxígeno es 1 barra Si la presión parcial de oxígeno es inferior a 1 bar en el gas por encima del líquido o dentro de las burbujas, el LOX se enfría por evaporación.

En la plataforma de lanzamiento, el LOX se puede preenfriar usando un intercambiador de calor con nitrógeno líquido suministrado desde el suelo que hierve a 77,355 K. Para ahorrar peso en el cohete, este intercambiador de calor debe estar fuera del cohete pero cerca de él. El nitrógeno líquido y el oxígeno no deben mezclarse para evitar la disolución del nitrógeno dentro del LOX. Se puede usar enfriamiento con burbujas de helio dentro del tanque LOX del cohete.

Están discutiendo sistemas anti-géiseres como el que usamos en el tanque del transbordador espacial ET-LO2. Pero no vi la respuesta más obvia, la respuesta operativa. Todo el mundo estaba tan centrado en la termodinámica y las intrincadas diferencias entre la ebullición y la evaporación... pero nadie mencionó el acondicionamiento térmico de los motores.

Cómo se hace esto depende de los motores utilizados, pero en todos los casos (con propulsores criogénicos) debe enfriar la entrada del motor y todos los componentes que tocarán los criogénicos antes del arranque o, de lo contrario, tendrá lo que llamamos un " mal día". En el caso del Transbordador, hubo una tasa de purga constante de algo pequeña para LO2 (del orden de unas pocas libras/segundo, creo) pero como LH2 usaba bombas de recirculación, no tenían esa purga. Sin embargo, el transbordador también tenía una tasa de reabastecimiento constante para reemplazar el LO2 perdido debido a la evaporación y el drenaje. La presión de vacío cayó de alrededor de 17/18 psi al final del llenado hasta alrededor de 15 psi(g) en el conteo terminal.

El sistema anti-géiser era solo una simple inyección de helio utilizada para subenfriar el LOX, de modo que a flujos bajos/niveles de líquido bajos (por ejemplo, durante el llenado lento) no obtuviéramos la formación de burbujas de Taylor en la línea de alimentación y un evento de géiser: no teníamos para cargar propulsor adicional para eso, pero mitigó las temperaturas LOX durante el tanque y el reabastecimiento.

Me salí del tema ahí. Algunos cohetes volverán a alcanzar el nivel de vuelo poco antes del despegue para compensar la pérdida de propelente debido a la ebullición (¡MUCHO más frecuente que la evaporación!) y el acondicionamiento térmico del motor. Algunos vehículos, como el transbordador, reponen constantemente los niveles para mantenerlos al 100 % hasta el inicio de la secuencia de conteo terminal.