Premezcla de combustibles criogénicos y uso de un solo tanque de combustible

Ante una pregunta similar en Chemistry SE, parece que la idea de mezclar oxígeno líquido y metano líquido es antigua. Y uno que, usando algunas de las respuestas anteriores, parece estar envuelto en al menos alguna hipérbole.

De relevancia es RL Every y JO Thieme, Journal of Spacecraft and Rockets 2(5) 787-789 (1965) titulado "Mezclas de oxígeno líquido y metano líquido como monopropulsores de cohetes". En la introducción, los autores señalan que trabajos anteriores muestran que los líquidos son miscibles en todas las proporciones por encima de 90K. Sus pruebas muestran un impulso específico de casi 300 segundos y una velocidad de escape cercana a los 6000 fps.

Además, dado que "se informaron sensibilidades de choque" en el trabajo anterior, hicieron algunos experimentos vagamente inquietantes (bueno, fue en los años 60). "Se realizaron pruebas para determinar si la agitación o agitación violenta, como la que se encuentra en una bomba tipo impulsor, detonaría la mezcla", aunque allí no hubo explosiones. Luego pasaron a cuantificar la sensibilidad al impacto, dejando caer un peso en un vaso de precipitados de acero inoxidable de diferentes mezclas líquidas desde alturas crecientes hasta que se produjo una explosión. Se descubrieron sensibilidades de impacto de 20-60 ft-lb (estos experimentos se realizaron con vasos de precipitados abiertos de los líquidos criogénicos, con la luz de la habitación brillando sobre ellos, de ahí la hipérbole).

Entonces, parecería que la idea de usar la mezcla líquida como monopropulsor no está del todo descabellada, pero por favor háganlo en algún lugar lejos de mí...

Para citar el gran libro Ignition! de John D. Clark. (Capítulo 11: Los monoprops esperanzadores):

Si las mezclas de Tannenbaum eran malas, la propuesta en una conferencia sobre monopropulsores en octubre de 1957 por un optimista de Air Products, Inc., fue suficiente para poner los pelos de punta a cualquiera en el negocio de los propulsores. Sugirió que una mezcla de oxígeno líquido y metano líquido sería un monopropulsor de energía extra alta, e incluso había elaborado los diagramas de fase del sistema.* Cómo evitó el suicidio (la primera regla en el manejo del oxígeno líquido es que nunca, nunca deje que entre en contacto con un combustible potencial) es una pregunta interesante, particularmente porque el JPL demostró más tarde que se puede hacer que la mezcla detone simplemente con una luz brillante sobre ella. Sin embargo, diez años después leí un artículo que proponía seriamente un monopropulsor de oxígeno-metano. Aparentemente, los ingenieros junior son alérgicos a la historia de su propio negocio.

Además de lo que dijo la otra respuesta, se necesitaría muy poca provocación para que tal situación se convierta en una buena manera de probar la resistencia a explosiones de las instalaciones cercanas.

En STP :

• El punto de ebullición de LOX es 90,19 K
• El punto de congelación del metano es 90,7 K.

Esto no prueba a priori que no pueda existir una solución de los dos. Sin embargo, significa que no se pueden manejar como líquidos a la misma temperatura, lo que dificulta la mezcla de los dos.

Entonces, acabo de preguntar : ¿Puede existir una mezcla estequiométrica de oxígeno y metano como líquido a presión estándar y cierta temperatura (baja)?

Sabemos que existe aire líquido , lo que demuestra que LOX y LN2 pueden mezclarse. Pero el metano es una molécula orgánica y sabemos que más pesado$\text{C}_n \text{H}_{2n+2}$Los hidrocarburos incluyen aceites y ceras que no les gusta disolver en solventes no orgánicos.

El argumento en contra de la premezcla es el peligro de ignición debido a una chispa o una pequeña generación de calor localizada. Como @Tristan y @PearsonArtPhoto mencionan 1 , 2 , el "fuego rápido" de la explosión de SpaceX ocurrió debido a la presencia de un material combustible en contacto directo con LOX y una fuente localizada de calor producido mecánicamente. Vea esta respuesta y tenga en cuenta que la situación se analiza extensamente en el video de Scott Manley The Dumbest Mistakes In Space Exploration

También mire el video a continuación, discutido con más detalle en ¿ Por qué la envoltura de fibra de carbono en LOX no se incendia? (ver este video primero)

Sobre la cuestión química/física de si tal mezcla puede existir: Sí, puede.

Hay un informe de la NASA que investiga esto: "SOBRE LAS SOLUBILIDADES Y VELOCIDADES DE SOLUCIÓN DE GASES EN METANO LÍQUIDO", Hibbard y Evans, 1968 y concluye que tales mezclas son posibles.

A partir de la página 8:

La figura 5(a) presenta las curvas de oxígeno, argón, monóxido de carbono y nitrógeno. También se muestran los dos valores experimentales de nitrógeno. El acuerdo es excelente en 99.83K y bueno en 110.9K. Las curvas de estos gases muestran que la solubilidad debería disminuir al aumentar la temperatura y los datos de nitrógeno lo confirman. Esta figura muestra que la solubilidad de la fracción molar del oxígeno es 1,0 a 90K. Esto significa que el oxígeno, que tiene una temperatura de ebullición normal de 90,1 K, se condensaría continuamente y sería miscible en todas las proporciones con metano líquido a 90 K. Esto se confirma con la referencia 11 donde, en un estudio de la solubilidad del metano en oxígeno líquido, se concluyó que estos formaban una solución casi ideal a -297 F (90K)

(énfasis añadido)

La figura 5 se reproduce a continuación. Observe cómo la solubilidad del oxígeno aumenta rápidamente a medida que desciende la temperatura.

La referencia 11 mencionada allí es "Hydrocarbon-Oxygen Systems Solubility", McKinley y Wang, 1960 (lamentablemente bloqueada) que también tiene una discusión interesante sobre la estabilidad (es decir, presencia o ausencia de una tendencia a explotar) de varias mezclas. Eso cubre, en términos deliciosamente tranquilos, por qué tales mezclas no se usan comúnmente: "Una composición como la que se muestra en el punto A (nb principalmente un componente) es segura, mientras que la composición en el punto B (es decir, el combustible para cohetes) puede explotar".

Se estratificarían.

El oxígeno líquido es mucho más denso que el hidrógeno líquido , con 1,141 g/cm3 para LOX frente a 0,07099 g/cm3 para LH.

Por lo tanto, debe instalar equipos para garantizar una mezcla adecuada de los dos líquidos. Esto no solo agrega complejidad a una maquinaria ya compleja, sino que también agrega peso.

Para la prueba de fuego estático de AMOS-6, se cree que el oxígeno y el combustible RP1 se combinaron debido a un mamparo defectuoso. Incluso una pequeña cantidad de combustible en el oxidante puede causar una explosión suficiente para que las cosas comiencen a moverse, parte de la reacción fue con la envoltura de carbono y el oxígeno, que tuvo una pequeña chispa y comenzó la explosión más grande vista. En su condición propuesta, solo se requiere una pequeña chispa para causar una gran explosión, como se ve en el siguiente video.

Mezclar combustible y oxidante es malo, incluso la más mínima chispa hará que todo se incendie. Además, se pueden hacer muchas cosas para optimizar el flujo para diferentes condiciones, haciendo fluir más oxidante o combustible para ciertas condiciones.