¿Es necesaria la presurización de los tanques de combustible para la integridad estructural?

La presurización del tanque de propulsor es un aspecto crítico del diseño de cohetes de propulsante líquido. Muchos diseños usan helio a alta presión, calentado y recirculado; sin embargo, se pueden usar los propios gases propulsores, al menos en el caso de LH2, como se explica en esta respuesta . En el caso de Falcon 9, esto se menciona aquí y aquí , como aprendí en la discusión y los enlaces asociados con esta pregunta .

Otra pregunta ¿Por qué los sistemas alimentados a presión tienen que ser presurizados con helio o nitrógeno? aborda la cuestión de por qué la elección del gas de presurización debe ser helio o nitrógeno , y autopresurizado por su propio gas de evaporación. Esta es una pregunta diferente. Estoy preguntando sobre la función o propósito de la presurización y la importancia relativa de las dos posibilidades siguientes.

Pensé que la presión era necesaria solo para alimentar los propulsores a las bombas y otras tuberías del motor lo suficientemente rápido, pero luego vi esta línea en el artículo de CSMonitor: Explosión de lanzamiento de SpaceX rastreada en el sistema de helio. ¿Ahora que? :

Se inyecta helio en los tanques de combustible para mantenerlos estructuralmente sólidos mientras el lanzador quema combustible durante el vuelo. Este sistema aparentemente se filtró durante la prueba estática.

Pensándolo bien, la sobrepresión ciertamente ayudaría a mantener la rigidez del tanque. Cualquiera que haya visto el experimento " aplasta la lata " no puede olvidarlo.

Pregunta: ¿Es realmente necesaria la presurización de los tanques de combustible para la integridad estructural? Y si bien puede ser necesario mantener la presión por encima de la ambiental para evitar el pandeo, ¿se usa más presión positiva en el diseño mecánico de un cohete para endurecer sustancialmente la estructura?

ingrese la descripción de la imagen aquí

arriba: Imagen del experimento " Crush the Can ", Ronald Lane Reese, Universidad Johns Hopkins (1999).

@DavidHammen Lo leí antes, pero no veo nada allí que aborde la integridad estructural. ¿Se necesita la presurización para "proporcionar simultáneamente dos funciones esenciales"? Esa pregunta y respuesta parecen ser sobre por qué los tanques no se autopresurizan y por qué es necesario presurizar el helio, pero no un tratamiento completo de todas las razones por las que los tanques necesitan presurizarse.
La integridad estructural tiene poco o nada que ver con eso, al menos en el caso de la segunda etapa (que fue donde ocurrió la explosión en la reciente prueba fallida de la almohadilla de SpaceX). La segunda etapa del Falcon 9 se enciende a una altitud de unos 80 km. Eso es esencialmente vacío.
@DavidHammen Entonces, si está seguro de que el helio no se usa para mantener la integridad estructural en los cohetes, puede publicarlo como respuesta a mi pregunta sobre la necesidad de helio para mantener la integridad estructural en los cohetes. Mi pregunta no está relacionada con ninguna explosión, o particularmente con las segundas etapas, y creo que queda bastante claro si lo vuelves a leer.
Shuttle usó presurización autógena pero las razones siguen siendo las mismas. Uno que no se menciona es el requisito de mantener una presión adecuada en las entradas de la bomba para evitar la cavitación (presión de succión positiva neta). Ese requisito impulsó muchas reglas de vuelo para el tanque H2 del transbordador.
No publiqué como respuesta, porque no helio, pero encontré una referencia en las reglas de vuelo del transbordador que decía que la pérdida de presión en el tanque de H2 podría causar una falla estructural: las velocidades insuficientes resultantes de dos válvulas de control de flujo GH2 fallaron al cerrarse o una presurización GH2 obstruida etapa para configuraciones de motor específicas, o tres válvulas de control de flujo GH2 que fallaron al cerrarse en todos los casos, resultará potencialmente en la pérdida de tripulación y vehículo debido a apagados prematuros del motor (debido a LH2 NPSP) o falla estructural ET. Referencia www.jsc.nasa.gov/news/columbia/fr_generic.pdf, justificación de A5-155
@OrganicMarble Al buscar ese término, encontré esta respuesta y, junto con otras lecturas, creo que esto significa que el helio (en este caso) de los tanques pequeños se calienta para que se expanda y cree presión dentro de los tanques propulsores mucho más grandes. Su comentario sobre la cavitación tiene sentido: la presión no solo lleva los propulsores a las bombas, sino que también mantiene la presión mínima necesaria para un funcionamiento seguro. ¿Podría un cohete pandearse repentinamente en vuelo si perdiera la presión del tanque? ¿Se ha demostrado realmente necesaria la integridad debida a la presión?
Llamamos al ET autógenamente presurizado porque usaba los mismos propulsores que contenía como presurizantes (calentados en los motores).
Aquí hay uno que falló debido a la pérdida de presión (por supuesto, este fue el famoso tanque de globo) El misil 5C (20 de febrero) fue una falla total cuando la válvula de desconexión de combustible no se cerró correctamente en la separación del refuerzo. Se perdió la presión del tanque de combustible, lo que provocó la inversión del mamparo intermedio y la autodestrucción del misil en T + 172 segundos. de en.wikipedia.org/wiki/SM-65C_Atlas
@OrganicMarble He editado la pregunta para que no se especifique el helio. Realmente busco comprender la integridad estructural de un cohete, la mecánica del mismo. ¿Es necesaria una presión positiva significativa para evitar fallas mecánicas durante el lanzamiento, por ejemplo, alrededor de Q máximo, o solo es necesaria para evitar la presión negativa y el pandeo? ¿Tal vez debería volver a escribir y afinar eso?
@OrganicMarble Por ejemplo, 10 metros de profundidad de un líquido de 1 g/cm^3 ya produce 14 psi en 1 g de aceleración (gravedad). Excepto por el vacío inicial, parece que la aceleración una vez que comienza el lanzamiento produciría mucha más presión en el fondo del tanque que cualquier presurización del tanque. Eso solucionaría los problemas de alimentación y cavitación. Sin embargo, en la parte superior de los tanques en el espacio por encima de los niveles de propelente, la presión de la parte vacía estaría controlada por el gas y podría ser baja, lo que posiblemente reduciría la rigidez y, de hecho, se volvería subatmosférica, con el riesgo de pandearse.
Para el tanque Shuttle O2, la presurización fue mucho menos importante para la cavitación, por las razones que enumera (LOX es, IIRC, 6 lb/galón) y además se sentó encima del tanque LH2 dando un alto número rho xgxh pero LH2 es solo 1 lb/galón y NPSP (cavitación) se convirtió en un problema antes de la estructura de ese tanque. (su salida del tanque en realidad se curvó hacia arriba en lugar de hacia abajo)

Respuestas (2)

La estabilización de presión se utiliza en algunos cohetes y en diversos grados.

  • Atlas y Centaur usan estabilización de presión a "escala completa". Las paredes del tanque eran tan delgadas que una etapa sin presión colapsaría por su propio peso (PDF enorme). El escenario tenía que estar presurizado (o mantenido en una plantilla de soporte) en todo momento.
  • el Falcon 9 usa estabilización de presión de vuelo . Las paredes del tanque son lo suficientemente gruesas como para que una etapa pueda soportar su propio peso y no necesita presurización durante la fabricación o el transporte. Necesita presurización en vuelo, para soportar las cargas de vuelo.
  • Saturno V no usó estabilización de presión. La estructura del escenario es lo suficientemente fuerte como para soportar cargas de vuelo por sí sola.
¡Ajá! ¡Un científico espacial al rescate! Gracias por reunir todo esto en un solo lugar, y citar y documentar ejemplos de cada uno. Este es el tipo de respuesta que es útil tener en cuenta y consultar más adelante. ¡Nunca hubiera imaginado que la situación de 'escala completa' sería siquiera considerada, y mucho menos sería cierta para diseños de cohetes tan establecidos!
Cambié el enlace. Es un viejo folleto de SpaceX.
nota para todos: siga los enlaces dentro del enlace de Atlas, o tl; dr al remate: youtube.com/watch?v=o7A6GBqre1k - presumiblemente la pérdida de un (en este caso) satélite espía durante una prueba previa al lanzamiento debido a un cohete pandeo por pérdida de presurización...
Hay un buen gráfico que muestra las previsiones de presión de vacío y las líneas de límite del ICD estructural y del motor para los tanques del transbordador... pero no puedo encontrarlo en Internet :(
¡@OrganicMarble ciertamente hay espacio para más preguntas y respuestas relacionadas con la presión del tanque de propulsor, problemas estáticos y dinámicos del mismo!
Para un tanque que no usa estabilización de presión, la presión interna y externa pueden ser iguales. Pero si la diferencia de presión es demasiado grande, el tanque se aplastará (la presión exterior es mayor que la interior).
¿Starship usa tanques estabilizados por presión?

Tomemos un bote de goma como ejemplo. Los tubos del bote deben llenarse de aire para que el bote flote y lleve algo de carga. Pero para dar estabilidad al barco en las olas, se necesita cierta cantidad de presión. Mucha presión dentro de los tubos del bote los destruirá. La presión debe mantenerse entre ciertos límites.

El depósito de combustible de un cohete tiene que ser lo más ligero posible, una cierta presión en el interior hará que la estructura del depósito sea rígida frente a las fuerzas de flexión. Nuevamente, la presión debe mantenerse dentro de los límites, demasiado baja y los tanques pueden destruirse cuando se doblan (porque están hechos de metal, no de goma), demasiado alta y la presión misma destruye el tanque. Los límites de presión deben respetarse cuando el cohete se encuentra en el lanzamiento con los tanques vacíos, durante la carga de combustible, mientras el cohete espera el encendido y el LOX y el LH2 hierven, cuando el combustible se bombea a la cámara de combustión y también cuando el aire la presión exterior disminuye desde el nivel del mar hasta el vacío. No es la presión absoluta dentro del tanque lo que debe mantenerse, es la presión relativa hacia el exterior.

También se puede construir un tanque que sea estable cuando la presión en el interior sea igual a la presión en el exterior, pero será más pesado y, por lo tanto, la velocidad al apagar el motor será menor. Los tubos del bote de goma demuestran qué rigidez adicional es posible cuando la presión interior está por encima del límite inferior.

Uwe, no pregunté si la inflación puede hacer las cosas más rígidas. Pregunté específicamente si la presurización de los tanques de combustible (de cohetes de combustible líquido) es necesaria para la integridad estructural. ¿Puede intentar responder esa pregunta específicamente y respaldar su respuesta con uno o dos enlaces? Por ejemplo, ¿alguna vez un cohete que requería presurización para mantener la integridad estructural se deformó durante el vuelo cuando la presurización no fue suficiente? ¿O tal vez hay alguna documentación técnica de un diseño de cohete en particular cuando se discutió este modo de falla? Revisa los comentarios de arriba - ¡gracias!
Los tanques deben ser lo más livianos posible, si la presión interna nos permite construir un tanque más liviano, debemos usarlo. Si el tanque fue construido para usar presión interna para la estabilidad, es peligroso usarlo con una presión significativamente por debajo de los límites.
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