¿Cómo se logró el cruce de combustible, entre el tanque principal y el Shuttle?

Cada vez que un fanático de Kerbal Space Program menciona la 'puesta en escena de espárragos' súper eficiente en cualquier contexto profesional, la respuesta automática es 'Eso no funcionará'. Las tuberías de combustible KSP son pura magia.

La idea de la ' puesta en escena de espárragos ' es que los propulsores externos del cohete alimenten con su propio combustible al motor principal, o a propulsores que se separarían más tarde, de modo que en el momento de la separación los tanques restantes de la nave sigan llenos, mientras tanto, durante el en el lanzamiento todos los motores están activados: los motores de etapas posteriores no se transportan como peso muerto, sino que contribuyen al empuje desde el primer momento.

Y, sin embargo, teníamos un sistema en el que un tanque de combustible externo desmontable alimentaba cantidades masivas de bipropulsor LOX a los motores en una etapa separada: el tanque de combustible del transbordador alimentaba al SSME. De un vistazo, parece que está a un paso de lo que se necesitaría para los 'espárragos'.

¿Alguien puede proporcionar una descripción general del sistema de alimentación cruzada, en particular, la junta desmontable que alimentaba LOX al transbordador desde el tanque? ¿Sería eficiente si se reutilizara para 'refuerzos en etapas de espárragos'? ¿O estaba plagado de suficientes problemas, o incluso era demasiado caro o ineficiente para ese uso?

Creo que esta pregunta mejoraría si proporciona una breve discusión de lo que quiere decir exactamente con "puesta en escena de espárragos" (o deja más claro de lo que está hablando en el segundo párrafo).
@MichaelKjörling: Moví la explicación a un lugar un poco más visible :)
Permítanme agregar una nota. Como señala la wiki, usar SRB en lugar de propulsores de motor líquidos puede ser más rentable en el juego, y también en la vida real. Pero en el juego, colocar pequeños tanques LFO encima de los SRB y suministrar combustible desde ellos a la nave principal o a los propulsores secundarios, tanques de tal tamaño que se agotan cuando se agotan los SRB, es aún más eficiente. Dado un mecanismo limpio de alimentación cruzada, también podría ser eficiente en la realidad.
¿Es esta una pregunta sobre el sistema de alimentación del tanque del transbordador o sobre su adaptación al diseño de "escenario de espárragos"? Hay dos buenas respuestas aquí hasta ahora, pero no está claro cuál debe aceptarse.
Crossfeed significa de tanque a tanque. Dado que Shuttle no tenía tanques excepto el tanque principal externo, no era una alimentación "cruzada", sino una alimentación regular.
@Andy: ...probablemente por qué todavía no he aceptado uno, esperando algún milagro que me ayude a decidirme ;)
@SF. Oh, bien, ya experimenté con tanques LFO encima de amplificadores y lo encontré algo eficiente. ¿Hay algún hilo KSP real para documentar esto? Lo encuentro sorprendente ya que los propulsores de combustible sólido suelen tener impulsos específicos más bajos que los motores de cohetes.
@FlorianCastellane: No lo tengo a mano, pero al menos en KSP, la optimización de delta-V a la órbita puede ser una heurística realmente engañosa cuando se optimiza el costo de la órbita . Los diseños eficientes tienden a ser costosos. Los SRB son baratos. Y especialmente en las etapas más bajas, los ahorros en costos superan los ahorros en eficiencia.

Respuestas (3)

1) ¿Alguien puede proporcionar una descripción general del sistema de alimentación cruzada, en particular, la junta desmontable que alimentaba LOX al transbordador desde el tanque?

Las palabras de moda para buscar en Google este tema son "ET Umbilical".

El sistema implementado en Shuttle era complicado pero causó problemas importantes solo una vez en el programa (ver más abajo).

Había dos áreas umbilicales hacia la parte trasera del vientre del transbordador. Cinco vías de fluido conectadas a través de estos dos umbilicales: líneas de oxígeno líquido e hidrógeno líquido de 17", líneas de represurización de hidrógeno y oxígeno gaseoso de 3" y una línea de recirculación de hidrógeno más pequeña. También había numerosas líneas eléctricas y de datos. Grandes puertas operadas eléctricamente (cerradas en el momento del lanzamiento por pestillos operados eléctricamente) cubrían las aberturas umbilicales y también las conexiones estructurales de popa entre el ET y el orbitador.

ingrese la descripción de la imagen aquí

El exterior de las puertas se cubrió con baldosas TPS de lanzadera.

En el lanzamiento, obviamente las puertas estaban abiertas y todos los umbilicales acoplados (la superficie de acoplamiento real se llamaba placa umbilical ET). Cada conexión de fluido tenía una válvula de cierre en ambos lados de la interfaz.

Después de que cerraron los SSME, comenzó la secuencia de separación de ET. Primero se cerraron las válvulas a cada lado de las conexiones de fluido. Se dispararon tres pernos explosivos en cada placa umbilical para liberar la interfaz. Luego, los actuadores hidráulicos redundantes triples tiraron de las placas umbilicales del lado del orbitador hacia el orbitador debajo de la línea del molde exterior. Luego, el sistema verificó para asegurarse de que todas las válvulas estuvieran cerradas. De lo contrario, comenzó un período de espera para permitir que los sistemas se apagaran a través de las válvulas abiertas y se emitió una advertencia a la tripulación. Finalmente, la pirotecnia hizo estallar la interfaz estructural y el Orbiter disparó chorros hacia abajo para alejarse del ET. Luego, el piloto accionó los interruptores para liberar los pestillos de la línea central de las puertas, cerrar las puertas y cerrarlas con pestillo.

Las preocupaciones con el sistema tal como fue diseñado fueron bastante obvias a partir de la descripción anterior. Si las válvulas de desconexión de fluido del lado del ET no se cerraran, el apoyo residual del ET se ventilaría. Si el ET se separara mecánicamente mientras esto sucedía, caería y podría golpear el orbitador. De ahí el período de espera. El hecho de que los umbilicales no se retraigan en el orbitador podría evitar que las puertas se cierren, lo que daría como resultado un escudo térmico imperfecto para la entrada. Esta misma preocupación existía por fallas eléctricas o mecánicas en el mecanismo de cierre de la puerta. Había un procedimiento EVA documentado para que la tripulación saliera y cerrara las puertas manualmente. Esto fue sencillo, excepto por el acceso al área que estaba muy atrás y debajo del vientre del orbitador. También existía la preocupación de que las válvulas de desconexión pudieran cerrarse de golpe durante el funcionamiento de los SSME, lo que provocaría la destrucción del vehículo. Durante las actualizaciones de seguridad realizadas después del accidente del Challenger, se agregaron pestillos operados neumáticamente para mantener abiertas las válvulas.

2) ¿Sería eficiente si se reutilizara para 'refuerzos en etapas de espárragos' ?

No puedo responder a esto, pero mi opinión es que el diseño del sistema de lanzadera fue único para su aplicación.

3) ¿O estaba plagado de suficientes problemas, o incluso era demasiado caro o ineficiente para tal uso?

A pesar de los riesgos involucrados, el único problema importante real del que soy consciente con el sistema ocurrió durante la preparación del lanzamiento del STS-35, cuando los umbilicales experimentaron fugas masivas de hidrógeno que retrasaron significativamente el vuelo y provocaron que la pila se desprendiera de la plataforma. el edificio de la asamblea.

Fuentes

1988 Manual de referencia de Shuttle News, p. 142 adelante y pág. 92 adelante

https://en.wikipedia.org/wiki/STS-35

http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_asm.html#et_mods

Experiencias personales

Buena respuesta, un problema: dices "Cuando los SSME se apagan en órbita", pero presumiblemente el transbordador en realidad sería suborbital en este punto. De lo contrario, el tanque no volvería a entrar.

La alimentación cruzada que se ve en KSP funciona bombeando combustible de un tanque de combustible a otro, es decir, contra la presión del tanque. Para ello, necesita bombas (independientes de las turbobombas del motor). Bombear grandes cantidades de combustible rápidamente no es fácil.

Debe dejar de bombear limpiamente cuando el tanque esté vacío (o correr el riesgo de que la bomba explote cuando la bomba se seque), esto es difícil: debe cerrar un flujo masivo sin causar un golpe de ariete .

El transbordador tenía una configuración mucho más fácil: solo había un tanque que alimentaba los propulsores a los motores, sin flujo de un tanque a otro. Las únicas bombas involucradas eran las turbobombas del motor. El apagado se realizó apagando los motores, sin necesidad de cerrar válvulas contra un flujo enorme. Lo único que el ET del transbordador tiene en común con la puesta en escena de espárragos es la desconexión durante el vuelo.

No es TAN malo: la misma turbobomba que alimenta el motor puede alimentar la alimentación cruzada, no bombeando al segundo tanque, sino a un tanque 'tampón' secundario y más pequeño en el otro refuerzo, del que se alimenta el otro motor. Cuando el combustible esté a punto de agotarse, estrangule la turbobomba para que solo alimente el propio motor, cierre las válvulas del ET umbilical, abra una válvula del tanque principal del segundo motor, para comenzar a alimentar el tanque de inercia. Realice el apagado y la separación del refuerzo normalmente.
pero luego mueves el problema: tienes que cambiar la alimentación de la turbobomba entre el tanque de compensación y el tanque principal sin causar hipo a la turbobomba.
Solo tengo que cambiar la entrada del tanque de compensación; actúa precisamente como un amortiguador para suavizar el flujo, alimentado desde el segundo refuerzo o desde el tanque principal, o incluso como tanque independiente sin ninguna entrada, durante la fase entre el cierre de la alimentación cruzada y la apertura de la válvula del tanque principal. La turbobomba toma combustible del tanque de inercia en todo momento; sin embargo, su salida está dividida (a otro tanque y el motor) o no, lo que podría causar un contratiempo, pero estamos en la fase de apagar el motor de todos modos.
¿Por qué te importa si explota una bomba que estás a punto de desechar con su tanque gastado?
@Joshua ¿Quizás quieren recuperar los refuerzos vacíos?
@Joshua: Me preocupan las explosiones mientras el cohete aún está dentro del radio de explosión de la etapa gastada.

Hay muchos factores en el modelo de simulación de KSP que hacen que la puesta en escena de "espárragos" sea viable y beneficiosa. El más grande es el modelo de arrastre débil (al menos en las primeras versiones): la penalización por ensanchar el cohete no es tan mala. Por el contrario, el acoplamiento débil entre los componentes rígidos en KSP hace que los cohetes muy altos se "tambaleen", y los sistemas de control de la rueda de reacción dominados y subamortiguados pueden exacerbar eso. Por lo tanto, los cohetes KSP tienden a tener una "relación de aspecto" mucho más baja que los cohetes reales.

El modelo de alimentación cruzada de combustible no es realista porque le permite conectar los tanques A y B en cualquier orientación y siempre drenará A primero, independientemente de tener que bombear contra las fuerzas G. También es posible separar las etapas en KSP mientras los motores están funcionando: el transbordador espacial solo separó el tanque cuando los motores se apagaron. No se tienen en cuenta los riesgos de fugas de combustible y oxidante de la alimentación cruzada. Separar un tanque lateral real mientras está acelerando involucra fuerzas complejas y puede ser difícil de hacer limpiamente; ¡Muy a menudo sale mal en KSP!

Si bien KSP permite muchas configuraciones poco realistas, no rechaza las realistas. Los refuerzos laterales no son infrecuentes, especialmente en los diseños rusos (Soyuz, Energia). Siempre que la alimentación vaya a un tanque, y no directamente a un motor, el motor nunca tendrá problemas de suministro de combustible. El lado "principal" se puede asegurar contra fugas con una válvula unidireccional bastante simple (que permite que los combustibles "dentro" pero nunca "fuera"; el refuerzo: hay muchas formas de forzar la separación lo suficientemente rápido como para que, cuando ocurra algún riesgo, puedan No pongas en peligro la nave principal.
¿Cómo se logró el cruce de combustible, entre el tanque principal y el Shuttle?
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