Ist die Druckbeaufschlagung von Treibstofftanks für die strukturelle Integrität erforderlich?

Die Druckbeaufschlagung von Treibstofftanks ist ein kritischer Aspekt bei der Konstruktion von Flüssigtreibstoffraketen. Viele Konstruktionen verwenden Hochdruckhelium, erhitzt und rezirkuliert, die Treibgase selbst können jedoch verwendet werden - zumindest im Fall von LH2, wie in dieser Antwort erläutert . Im Fall von Falcon 9 wird dies hier und hier erwähnt, wie ich in der Diskussion und den Links zu dieser Frage erfahren habe .

Noch eine Frage Warum müssen druckgespeiste Systeme mit Helium oder Stickstoff beaufschlagt werden? befasst sich mit der Frage, warum die Wahl des Druckbeaufschlagungsgases Helium oder Stickstoff sein muss und durch ihr eigenes Boil-off-Gas selbst unter Druck gesetzt werden muss. Dies ist eine andere Frage. Ich frage nach der Funktion oder dem Zweck der Druckbeaufschlagung und der relativen Bedeutung der beiden folgenden Möglichkeiten.

Ich hatte gedacht, der Druck sei nur notwendig, um die Treibmittel schnell genug in die Pumpen und andere Rohrleitungen des Motors zu leiten, aber dann sah ich diese Zeile im CSMonitor-Artikel: SpaceX-Startexplosion, die auf das Heliumsystem zurückgeführt wird. Was jetzt? :

Helium wird in Kraftstofftanks eingespritzt, um sie strukturell intakt zu halten, während die Trägerrakete während des Flugs Kraftstoff verbrennt. Dieses System ist während des statischen Tests offenbar undicht geworden.

Wenn man darüber nachdenkt, würde Überdruck sicherlich dazu beitragen, die Steifigkeit des Tanks aufrechtzuerhalten. Wer das „ Crush the Can “-Experiment gesehen hat, kann es nicht vergessen.

Frage: Ist die Druckbeaufschlagung von Treibstofftanks für die strukturelle Integrität tatsächlich notwendig? Und während es notwendig sein kann, den Druck über dem Umgebungsdruck zu halten, um ein Knicken zu verhindern, wird bei der mechanischen Konstruktion einer Rakete weiterer positiver Druck verwendet, um die Struktur wesentlich zu versteifen?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

oben: Bild des „ Crush the Can “-Experiments, Ronald Lane Reese, Johns Hopkins University (1999).

@DavidHammen Ich habe das früher gelesen, aber ich sehe dort nichts, was die strukturelle Integrität anspricht. Wird die Druckbeaufschlagung benötigt, um „gleichzeitig zwei wesentliche Funktionen bereitzustellen“? Bei dieser Frage und Antwort scheint es darum zu gehen, warum sich die Tanks nicht selbst unter Druck setzen und warum Helium zur Druckbeaufschlagung erforderlich ist, aber keine gründliche Behandlung aller Gründe, warum die Tanks unter Druck gesetzt werden müssen.
Strukturelle Integrität hat wenig, wenn überhaupt, damit zu tun, zumindest im Fall der zweiten Stufe (wo die Explosion bei SpaceXs jüngstem Pad-Test-Versagen auftrat). Die zweite Stufe von Falcon 9 zündet in einer Höhe von etwa 80 km. Das ist im Wesentlichen Vakuum.
@DavidHammen Wenn Sie also sicher sind, dass Helium nicht zur Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität in Raketen verwendet wird, können Sie dies als Antwort auf meine Frage zur Notwendigkeit von Helium zur Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität in Raketen posten. Meine Frage bezieht sich nicht auf Explosionen oder insbesondere auf zweite Stufen, und ich denke, das ist ziemlich klar, wenn Sie es noch einmal lesen.
Shuttle verwendete eine autogene Druckbeaufschlagung, aber die Gründe bleiben dieselben. Eine nicht erwähnte Anforderung ist die Aufrechterhaltung eines angemessenen Drucks an den Pumpeneinlässen, um Kavitation zu verhindern (netto positiver Saugdruck). Diese Anforderung führte zu vielen Flugregeln für den Shuttle-H2-Tank.
Nicht als Antwort posten, weil kein Helium, aber ich habe in den Shuttle-Flugregeln einen Hinweis gefunden, der besagt, dass ein Verlust des Leerraumdrucks im H2-Tank zu einem strukturellen Versagen führen kann: Untergeschwindigkeiten, die darauf zurückzuführen sind, dass zwei GH2-Stromregelventile nicht geschlossen wurden oder eine verstopfte GH2-Druckbeaufschlagung Bein für bestimmte Motorkonfigurationen, oder drei GH2-Durchflussregelventile, die in allen Fällen nicht geschlossen wurden, führt möglicherweise zum Verlust von Besatzung und Fahrzeug aufgrund entweder vorzeitiger Motorabschaltungen (aufgrund von LH2 NPSP) oder ET-Strukturversagen. Referenz www.jsc.nasa.gov/news/columbia/fr_generic.pdf, Begründung für A5-155
@OrganicMarble Bei der Suche nach diesem Begriff habe ich diese Antwort gefunden, und zusammen mit anderen Lektüren bedeutet dies meiner Meinung nach, dass das Helium (in diesem Fall) aus kleinen Tanks erhitzt wird, sodass es sich ausdehnt und Druck in den viel größeren Treibmitteltanks erzeugt. Ihr Kommentar zur Kavitation ist sinnvoll - der Druck bringt nicht nur die Treibmittel zu den Pumpen, sondern hält auch einen Mindestdruck aufrecht, der für einen sicheren Betrieb erforderlich ist. Könnte eine Rakete im Flug plötzlich einknicken, wenn sie den Tankdruck verliert? Hat sich die Integrität durch Druck tatsächlich als notwendig erwiesen?
Wir nannten den ET autogen unter Druck, weil er die gleichen Treibmittel verwendete, die er als Druckmittel enthielt (in den Motoren erhitzt).
Hier ist einer, der aufgrund von Druckverlust ausfiel (natürlich war dies der berühmte Ballontank). Missile 5C (20. Februar) war ein kompletter Ausfall, als das Kraftstofftrennventil bei der Booster-Trennung nicht richtig schloss. Der Druck im Kraftstofftank ging verloren, was zur Umkehrung des Zwischenschotts und zur Selbstzerstörung der Rakete bei T + 172 Sekunden führte. von en.wikipedia.org/wiki/SM-65C_Atlas
@OrganicMarble Ich habe die Frage so bearbeitet, dass Helium nicht angegeben ist. Ich bin wirklich darauf aus, die strukturelle Integrität einer Rakete zu verstehen - ihre Mechanik. Ist ein erheblicher positiver Druck erforderlich, um ein mechanisches Versagen während des Starts zu verhindern - beispielsweise um das maximale Q herum, oder ist es nur erforderlich, um einen negativen Druck und ein Knicken zu vermeiden? Vielleicht sollte ich das nochmal umschreiben und verfeinern?
@OrganicMarble Beispielsweise erzeugt eine 10-Meter-Tiefe einer Flüssigkeit von 1 g / cm ^ 3 bereits 14 psi in 1 g Beschleunigung (Schwerkraft). Abgesehen vom anfänglichen Freiraum scheint es, dass die Beschleunigung nach Beginn des Starts weit mehr Druck am Boden des Tanks erzeugen würde, als es jede Tankdruckbeaufschlagung könnte. Das würde die Vorschub- und Kavitationsprobleme angehen. An der Oberseite der Tanks im Raum über den Treibmittelniveaus würde der Druck des leeren Teils jedoch durch das Gas gesteuert und könnte niedrig sein – was möglicherweise die Steifigkeit verringert und tatsächlich unteratmosphärisch wird, wodurch ein Knicken riskiert wird.
Für den Shuttle-O2-Tank war die Druckbeaufschlagung für die Kavitation aus den von Ihnen aufgeführten Gründen (LOX ist, IIRC, 6 lb / Gallone) weitaus weniger wichtig, und außerdem saß er oben auf dem LH2-Tank, was eine hohe Rho xgxh-Zahl, aber LH2, ergab beträgt nur 1 lb/Gallone und NPSP (Kavitation) wurde vor der Struktur für diesen Tank zu einem Problem. (sein Tankauslass ist tatsächlich nach oben statt nach unten gebogen)

Antworten (2)

Die Druckstabilisierung wird in einigen Raketen und in unterschiedlichem Maße verwendet.

  • Atlas und Centaur verwenden eine Druckstabilisierung in vollem Umfang. Die Tankwände waren so dünn, dass eine drucklose Bühne unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen würde (riesiges PDF). Die Bühne musste zu jeder Zeit unter Druck stehen (oder in einer Stützvorrichtung gehalten werden).
  • Der Falcon 9 verwendet eine Flugdruckstabilisierung . Die Tankwände sind dick genug, dass eine Bühne ihr eigenes Gewicht tragen kann und während der Herstellung oder des Transports nicht unter Druck gesetzt werden muss. Es muss im Flug unter Druck gesetzt werden, um den Fluglasten standzuhalten.
  • Saturn V verwendete keine Druckstabilisierung. Die Bühnenstruktur ist stark genug, um Fluglasten allein standzuhalten.
Aha! Ein Raketenwissenschaftler zur Rettung! Vielen Dank, dass Sie diese alle an einem Ort zusammengestellt haben - und Beispiele für jeden zitiert und dokumentiert haben. Dies ist die Art von Antwort, die nützlich ist, um sie im Hinterkopf zu behalten und später darauf zurückzukommen. Ich hätte nie gedacht, dass die „Full-Scale“-Situation überhaupt in Betracht gezogen werden würde, geschweige denn für solche etablierten Raketendesigns!
Ich habe den Link geändert. Das ist eine alte SpaceX-Broschüre.
Hinweis an alle - folgen Sie den Links im Atlas-Link oder tl;dr zur Pointe: youtube.com/watch?v=o7A6GBqre1k - vermutlich der Verlust eines (in diesem Fall) Spionagesatelliten während eines Prelaunch-Tests aufgrund einer Rakete Knicken durch Druckverlust...
Es gibt ein schönes Diagramm, das die Vorhersagen des Leerraumdrucks und die strukturellen und motorischen ICD-Grenzlinien für die Shuttle-Tanks zeigt ... aber ich kann es nicht im Internet finden :(
@OrganicMarble, es gibt sicherlich Raum für weitere Fragen und Fragen zum Treibmitteltankdruck sowie zu statischen und dynamischen Problemen!
Bei einem Tank ohne Druckstabilisierung kann der Druck innen und außen gleich sein. Aber wenn die Druckdifferenz zu groß ist, würde der Tank zerquetscht werden (Druck außen ist größer als innen).
Starship verwendet druckstabilisierte Tanks?

Nehmen wir als Beispiel ein Schlauchboot. Die Schläuche des Bootes müssen mit Luft gefüllt sein, damit das Boot schwimmen und etwas Last tragen kann. Aber um dem Boot Stabilität in den Wellen zu geben, braucht es einen gewissen Druck. Zu viel Druck in den Schläuchen des Bootes wird sie zerstören. Der Druck muss innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden.

Der Treibstofftank einer Rakete muss möglichst leicht sein, ein gewisser Innendruck macht die Tankstruktur steif gegen Biegekräfte. Auch hier muss der Druck innerhalb der Grenzen gehalten werden, zu niedrig und die Tanks können beim Biegen zerstört werden (weil sie aus Metall und nicht aus Gummi sind), zu hoch und der Druck selbst zerstört den Tank. Die Druckgrenzen müssen eingehalten werden, wenn die Rakete mit leeren Tanks beim Start steht, während der Treibstoffladung, während die Rakete auf die Zündung wartet und LOX und LH2 verdampft, wenn der Treibstoff in die Brennkammer gepumpt wird und auch wenn die Luft Außendruck nimmt von Meereshöhe auf Vakuum ab. Es muss nicht der absolute Druck im Inneren des Tanks aufrechterhalten werden, sondern der relative Druck nach außen.

Es kann auch ein Tank gebaut werden, der stabil ist, wenn der Innendruck gleich dem Außendruck ist, aber er wird schwerer und damit die Geschwindigkeit beim Abstellen des Motors geringer sein. Die Schläuche des Schlauchbootes zeigen, welche zusätzliche Steifigkeit möglich ist, wenn der Innendruck über der Untergrenze liegt.

Uwe Ich habe nicht gefragt, ob Inflation die Dinge steifer machen kann. Ich habe speziell gefragt, ob die Druckbeaufschlagung von Treibmitteltanks (von Flüssigtreibstoffraketen) für die strukturelle Integrität erforderlich ist. Können Sie versuchen, diese Frage speziell zu beantworten, und Ihre Antwort mit einem oder zwei Links unterstützen. Hat sich zum Beispiel eine Rakete, die für die strukturelle Integrität eine Druckbeaufschlagung benötigte, jemals während des Fluges geknickt, wenn die Druckbeaufschlagung nicht ausreichend war? Oder gibt es vielleicht eine technische Dokumentation eines bestimmten Raketendesigns, als dieser Fehlermodus diskutiert wurde? Überprüfen Sie die Kommentare oben - danke!
Die Tanks sollten so leicht wie möglich sein, wenn der Innendruck es uns erlaubt, einen leichteren Tank zu bauen, sollten wir ihn verwenden. Wenn der Tank so konstruiert wurde, dass er zur Stabilität Innendruck verwendet, ist es gefährlich, ihn mit einem Druck zu verwenden, der deutlich unter den Grenzwerten liegt.
Ist die Druckbeaufschlagung von Treibstofftanks für die strukturelle Integrität erforderlich?
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