Auf welche Weise wird Helium in modernen Trägerraketen verwendet?

Als Druckmittel und Spülgas wird Helium verwendet. Obwohl das Space Shuttle kein "modernes" Startsystem mehr ist, hat es ausgiebig Gebrauch von Helium gemacht, um verschiedene Systeme unter Druck zu setzen, und kann vielleicht als Beispiel dienen.

• Druckbeaufschlagung der Flüssigsauerstoff- und Flüssigwasserstofftanks des externen Tanks vor dem Start (in der Größenordnung von 100 lbm He für jeden Tank)

Während des Standby-Betriebs werden die Flüssigsauerstoff- und Flüssigwasserstofftanks mit gasförmigem Helium unter Druck gesetzt, um vor dem Beladen und Starten einen nominalen Überdruck aufrechtzuerhalten, um mögliche strukturelle Schäden zu vermeiden, die sich aus thermischen und atmosphärischen Druckänderungen ergeben könnten. Ungefähr 3 Minuten vor dem Start werden die Tanks bis zum Abheben mit Helium unter Druck gesetzt, das von einer Bodenanlage geleitet wird.

• Die Ammoniaktanks für das Kühlsystem des Ammoniakkessels wurden mit Helium unter Druck gesetzt.

Keine Blase trennt das NH3 von seinem Druckmittel Helium (He). Wenn ein NH3-Regler manuell aktiviert wird (SEC/ON), während er sich in null g befindet, könnte das He-Druckmittel austreten und das System unbrauchbar machen

Die Lage der Heliumtanks für die verbleibenden zu diskutierenden Systeme ist auf dieser Zeichnung aus dem Shuttle Operational Data Book (SODB) hellgrün dargestellt.

• Das Hauptantriebssystem hatte ein bedeutendes Heliumsystem, mit dem pneumatische Ventile betätigt und die Systeme gespült wurden. Es hatte drei 17,3-Fuß-^3-Tanks und sieben 4,7-Fuß-^3-Tanks, die vor dem Start auf ~ 4000 psi unter Druck gesetzt wurden. (In der Größenordnung von 225 lbm He für das System)

• Das Orbital Maneuvering System (OMS) war ein druckgespeistes System von 2 6000-lbf-Motoren, deren Treibmitteltanks mit Helium unter Druck gesetzt wurden. In jedem der 2 OMS-Pods befand sich ein eigener OMS-Heliumtank. (in der Größenordnung von 80 lbm He insgesamt)

• Das Reaction Control System (RCS) war ein druckgespeistes System von Lageregelungsdüsen, deren Treibmitteltanks mit Helium unter Druck gesetzt wurden. Es gab zwei Heliumtanks pro RCS-System für insgesamt sechs Tanks.

Quellen:

• Shuttle Crew Operations Manual verschiedene S.
• Space Shuttle News Reference Seite 2-40
• Schulungshandbuch für Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssysteme
• Massenwerte: persönliche Notizen
• SODB: Begraben in diesem Verzeichnis der alten KSC-Shuttle-Verlaufsseite

Wenn es eine Rakete mit kryogenen Wasserstofftanks gibt, braucht man dafür Helium.

Flüssiger Wasserstoff sollte nicht mit Luft, Sauerstoff oder Stickstoff gemischt werden. Ein Gemisch mit Sauerstoff ist explosiv und sollte aus Sicherheitsgründen vermieden werden. Stickstoffgas würde sich bei der Temperatur von Wasserstoff verflüssigen und sogar gefrieren. Andere Edelgase wie Argon würden sich bei der Temperatur von flüssigem Helium verflüssigen oder sogar verfestigen. Es gibt also keine Alternative zu Helium.

Ein werkseitig mit Luft gefüllter Wasserstofftank muss vor dem Befüllen mit Wasserstoff vorbereitet werden. Sie brauchen also Helium, um die Luft herauszuspülen. Man kann die Luft vorher nicht entfernen, der entstehende Unterdruck würde den Tank zerstören. Sie benötigen also viel mehr gasförmiges Helium als das Tankvolumen, um die gesamte Luft zu entfernen.

Theoretisch wäre es möglich, die Luft in den Tanks zunächst mit Stickstoff zu spülen. Wenn kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, kann Stickstoff durch Wasserstoff gespült werden. Wenn kein verbleibender Stickstoff vorhanden ist, kann flüssiger Wasserstoff geladen werden. Der gesamte mit Stickstoff vermischte Wasserstoff sollte in einiger Entfernung zur Startrampe abgefackelt werden.

Wenn Helium auch zur Druckbeaufschlagung verwendet wird, braucht man so viel Helium, um den Tankdruck eines fast leeren Tanks aufrechtzuerhalten. Auch hier wird ein Vielfaches des Tankvolumens benötigt (Volumen bei Umgebungsdruck).

Ein Wärmetauscher zum Verflüssigen von Wasserstoff zur Druckbeaufschlagung kann Helium zur Druckbeaufschlagung des Tanks vermeiden. Die Verwendung von gasförmigem Wasserstoff zum Spülen der Luft vor dem Befüllen wäre jedoch sehr gefährlich.