Vor einiger Zeit hat Ars Technica eine große Geschichte über die in Entwicklung befindliche Firefly-Rakete geschrieben.
Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal ist, dass es sein eigenes Treibmittel verwendet, um die Selbstdruckbeaufschlagung (autogen) durchzuführen. Zuerst dachte ich, ich hätte das gut verstanden, aber in späteren Online-Gesprächen darüber fand ich heraus, dass dieses Detail tatsächlich sehr umstritten ist. Hier ist der Teil des Artikels, der Fragen aufwirft, mit der Betonung von mir.
Erhitzter Kraftstoff wird in heißes Gas umgewandelt, das dann verwendet wird, um die Kraftstofftanks unter Druck zu setzen. Wie bereits erwähnt, ist das Endergebnis davon ein Kraftstofftank, der mit mehr brennbarem Kraftstoff gefüllt ist, und nicht mit einem inerten Druckmittel wie Helium. Dadurch baut sich der Aerospike von Firefly vollständig selbst unter Druck auf .
Niemand bestreitet, dass das Verfahren den Kraftstofftank unter Druck setzen kann . Das Problem ist die Formulierung "vollständig". Einige Leute glauben anscheinend, dass Flüssigsauerstofftanks nicht mit derselben Methode unter Druck gesetzt werden können, da dies zu Hochtemperatur-Sauerstoffgas oder sauerstoffreichem Gas führen würde (dies ist mein eigenes Verständnis, das seine Mängel haben könnte). Die Logik ist folgende:
Heißer Sauerstoff oxidiert praktisch alles, was nicht bereits oxidiert ist.
Wenn sie sich etwas Literatur zu diesem Thema ansehen, scheinen sie einen Punkt zu haben. Die autogene Druckbeaufschlagung wird in diesem Artikel beispielhaft für einen Wasserstofftank angesprochen. Aber es gibt noch einige Elemente, von denen ich mich nicht überzeugen kann.
Würde die autogene Druckbeaufschlagung unbedingt die Temperatur des Tanks erhöhen? Auch wenn der Sauerstofftank mit einem sauerstoffreichen Gasgemisch aus CO2 und/oder H2O unter Druck gesetzt wurde, muss dieses nicht unbedingt extrem heiß sein. Sie haben bereits kryogene Flüssigkeiten, mit denen Sie Wärme austauschen können, also liegt sie vielleicht unter Raumtemperatur und ist im Allgemeinen kein großes Problem.
Wenn ich die Aussage "voller Selbstdruck" ausschließlich als Fehler des Journalisten nehme, dann scheint das Firefly-Design keinen Sinn zu machen. Wenn Sie Helium verwenden, um den Sauerstofftank unter Druck zu setzen, wird die Verwendung einer autogenen Druckbeaufschlagung des Kraftstofftanks die Komplexität eindeutig nicht verringern. Zwei verschiedene Methoden der Tankdruckbeaufschlagung klingen phantastisch kompliziert.
Also, was ist der Deal? Gibt es einen glaubwürdigen Hintergrund hinter Entwürfen für die autogene Druckbeaufschlagung des Flüssigsauerstofftanks? Ist dieses Debakel nur eine schlechte Formulierung oder ein fehlgeleitetes Startup?
Wenn die Frage lautet, ob ein solches System machbar ist, lautet die Antwort ja, es ist zu 100% machbar, weil STS genau dieses System verwendet hat. Die LOX- und LH2-Tanks im ET wurden auf dem Pad mit von GSE geliefertem Helium unter Druck gesetzt. Nach dem SSME-Start wurden die Tanks durch gasförmige Treibmittel unter Druck gesetzt, die aus den Motoren gezapft wurden.
Aus der Pressereferenz des NASA-Shuttles von 1985 :
Sobald der Flüssigsauerstoff geladen und für die Zündung des Haupttriebwerks bereit ist, wird das Entlüftungs- und Entlastungsventil des Flüssigsauerstofftanks geschlossen und der Tank wird durch von GSE bereitgestelltes Helium auf 21 psig unter Druck gesetzt. Während des SSME-Schubs strömt flüssiger Sauerstoff aus dem externen Tank durch die Versorgungsleitung des Orbiters/des externen Tanks in das Orbiter-MPS und zu jedem SSME. Die Druckbeaufschlagung des Tanks wird durch gasförmigen Sauerstoff aufrechterhalten, der von den drei Haupttriebwerken abgezapft und dem Flüssigsauerstofftank über die Versorgungsleitung für gasförmigen Sauerstoff des Orbiters/externen Tanks zugeführt wird.
und
Wenn der Flüssigwasserstoff geladen und für die Zündung des Haupttriebwerks bereit ist, wird das Entlüftungs- und Entlastungsventil des Flüssigwasserstofftanks geschlossen, und der Tank wird durch von GSE geliefertes Helium auf 42,5 psia unter Druck gesetzt.
Ungefähr 45 Minuten nach Beginn des Ladevorgangs beginnen drei elektrisch betriebene Flüssigwasserstoffpumpen im Orbiter damit, den flüssigen Wasserstoff im externen Tank durch die drei SSMEs und durch eine spezielle Rückführungsleitung zurück zum externen Tank zu zirkulieren. Diese Rezirkulation kühlt die Flüssigwasserstoffleitungen zwischen dem externen Tank und der Hochdruck-Kraftstoffturbopumpe in den SSMEs ab, sodass der Weg frei von gasförmigen Wasserstoffblasen ist und die richtige Temperatur für den Motorstart hat. Die Rezirkulation endet etwa sechs Sekunden vor dem Motorstart. Während des Triebwerksschubs fließt flüssiger Wasserstoff aus dem Außentank und durch die Orbiter-/Außentank-Flüssigwasserstoff-Versorgungsleitung in das Orbiter-MPS und zu den Haupttriebwerken.Die Druckbeaufschlagung des Tanks wird durch gasförmigen Wasserstoff aufrechterhalten, der von den drei SSMEs abgezapft und dem Tank für flüssigen Wasserstoff über die Versorgungsleitung für gasförmigen Wasserstoff des Orbiters/externen Tanks zugeführt wird.
In Anhang E von A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs (heruntergeladen von: http://www.nap.edu/catalog/11780.html ) heißt es bei der Beschreibung eines Beispiels eines autogenen Druckbeaufschlagungssystems :
[Dampfdruckbeaufschlagung] nutzt die innere Energie einer in einem geschlossenen Behälter gelagerten Flüssigkeit, um die zum Ausstoßen der Flüssigkeit aus dem Behälter erforderliche Arbeit zu verrichten. Vor dem Start wird die Massenflüssigkeitstemperatur so eingestellt, dass der Dampfdruck dem gewünschten Tankdruck entspricht. Die Flüssigkeit befindet sich im thermischen Gleichgewicht mit den im Tankleerraum vorhandenen gesättigten Dämpfen (andere Gase ausgenommen). Wenn das Tankventil geöffnet wird, wodurch die Flüssigkeit oder der Dampf abgelassen wird, fällt der Tankdruck ab, wodurch das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht gestört wird. An diesem Punkt siedet die Flüssigkeit, erzeugt zusätzlichen Dampf und wirkt der Druckminderung entgegen.
Das würde bedeuten, dass der gasförmige Sauerstoff nicht nennenswert wärmer wäre als das LOX darunter im Tank.
Uwe
Christopher James Huff
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