Probleme beim Komprimieren der Heliumtanks im LOX-Tank der 2. Stufe von F9 in letzter Minute?

Ein aktuelles „ Anomaly Update “ September 23, 1:00pm EDTvon SpaceX enthält den Satz:

"In diesem Stadium der Untersuchung deutet eine vorläufige Überprüfung der Daten und Trümmer darauf hin, dass ein großer Bruch im kryogenen Heliumsystem des Flüssigsauerstofftanks der zweiten Stufe stattgefunden hat."

Dies wurde in mehreren Nachrichtenagenturen wiederholt, aber spaceflightnow fügt hinzu:

Der Flüssigsauerstofftank der Oberstufe der Falcon 9-Rakete enthält mehrere zusammengesetzte Heliumbehälter, von denen jeder im Flug mit einem Druck von etwa 5.500 Pfund pro Quadratzoll beaufschlagt wird. Das Helium wird durch das Merlin-Triebwerk der zweiten Stufe geleitet, wo sich das Helium erwärmt und in die Treibmitteltanks der Rakete eingespritzt wird, um die Stufe unter Druck zu setzen, während der Werfer Treibstoff verbrennt, wodurch die Tanks strukturell intakt bleiben.

Während sich zum Zeitpunkt der Explosion kryogenes Helium an Bord der Falcon 9 befand, ereignete sich das Missgeschick etwa acht Minuten, bevor die Haupttriebwerke der Rakete für den „statischen Feuer“-Test am 1. September gezündet werden sollten.

An diesem Punkt des Countdowns werden die Treibstofftanks normalerweise nicht für den Start unter Druck gesetzt.

Ich versuche, die Implikationen dahinter zu verstehen: "Der Flüssigsauerstofftank der Oberstufe der Falcon 9-Rakete enthält mehrere zusammengesetzte Heliumbehälter ...". Laut dieser Antwort "beim Wechsel zu Falcon 9 v1.1 und der Merlin 1D-Engine haben sie sie in beiden Phasen in die LOX-Tanks verschoben. Dadurch wurde der Motorbereich erheblich aufgeräumt." - auch in dieser Antwort erwähnt - Ich sehe, dass die Heliumtanks aus mehreren praktischen Gründen, einschließlich Layout / Anordnung und Wärmemanagement, in die LOX-Tanks verlegt wurden - in den LOX-Tanks ist die Temperatur viel kälter als die Umgebungstemperatur.

Bei einem bestimmten Maximaldruck ermöglicht eine niedrigere Temperatur die Speicherung von mehr Helium in den Tanks, oder es können kleinere/leichtere Tanks für eine feste Heliummenge verwendet werden, obwohl ich den tatsächlichen Grund nicht kenne. Das Kochen von LOX liegt bei etwa 90 K (nur etwa ein Drittel der absoluten Umgebungstemperatur), und SpaceX unterkühlt (oft/normalerweise?) Darunter, um noch mehr LOX in die Tanks zu packen.

  1. Ist das Helium jetzt wesentlich kälter, indem die Tanks in den LOX-Tank verschoben werden, oder ist es einfach einfacher, sie kalt zu halten – ohne Kühler und Isolierung?
  2. Wenn die Heliumtanks erst in den letzten Minuten vor dem Start unter Druck gesetzt werden, erzeugt das Komprimieren dieses Gases auf ungefähr 400 Atmosphären nicht eine enorme Hitze? Wenn die Tanks eine feste Größe haben, steigt der Druck beim Füllen stetig an, und das erzeugt kurz vor dem Start eine Wärmequelle im Inneren des LOX-Tanks. Ich kann verstehen, dass das Helium vorher hinzugefügt wird, es nach dem Komprimieren etwas abkühlen lässt und dann mit LOX gefüllt wird, aber wäre das Komprimieren des Heliums im Tank in letzter Minute nicht mit unterkühltem LOX unvereinbar?
  3. Oder kann "... jeder im Flug auf etwa 5.500 Pfund pro Quadratzoll unter Druck gesetzt werden." wörtlich genommen werden - der Tank wird im Flug unter Druck gesetzt? Die Druckbeaufschlagung erfolgt im Flug ?
  4. Und tut "An diesem Punkt im Countdown sind die Treibmitteltanks normalerweise nicht für den Start unter Druck gesetzt." beziehen sich auf LOX und RP-1 , aber nicht auf Helium? Wird das Helium unter Druck gesetzt, aber nicht die Treibmittel, oder bezieht sich dies auch darauf, dass das Helium nicht unter Druck steht?

Betrachten Sie für einen Moment die NORS 6000 psi Sauerstofftanks für die Lieferung an die ISS, wie in dieser Antwort beschrieben . Laut diesem Artikel:

Etwa ein Dutzend Personen, die im Hochregal der Verarbeitungsanlage der Raumstation in Kennedy arbeiten, führen die Arbeiten zum Befüllen eines einzelnen Tanks durch, nachdem sie zwei bis drei Tage lang Inspektionen und Arbeitsstandvorbereitungen durchgeführt haben. Sie arbeiten etwa 40 Fuß vom Stand entfernt mit dem Tank und lassen ihn einen Tag in Ruhe, damit er nach der Druckbeaufschlagung abkühlen kann. (meine Betonung)

Das Team führte mehrere Befüllungen an anderen Tanks durch, um sicherzustellen, dass der Prozess sicher gehandhabt und wie geplant durchgeführt werden konnte.

„Es gibt wirklich keinen anderen Ort auf der Welt, der in einer Betriebsumgebung mit bis zu 10.000 Pfund pro Quadratzoll arbeitet“, sagte Bigos. „Wir mussten außerordentlich vorsichtig sein. Es ist noch kein normaler Alltagsbetrieb, aber wir kommen dorthin.“

Es hört sich nicht so an, als ob Sie einen 6000-psi-Tank, der in einen unterkühlten LOX-Tank getaucht ist, nur wenige Minuten vor dem Abheben unter Druck setzen möchten - aufgrund der Wärmeentwicklung, wenn auch aus keinem anderen Grund. Die Heliumtanks können kleiner sein oder nicht, aber dies ist kein Ort, an dem Sie viel Wärme erzeugen möchten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

oben: NORS-Sauerstofftank von hier . Bildnachweis: NASA, beschnitten/gedreht.

Ich weiß, es ist nur die Farbe und die allgemeine Form, aber wenn ich mir das nur ansehe, werde ich nervös - ich denke, es erinnert mich aus irgendeinem Grund an diese .

Sie können einen kochenden LOX-Tank immer in letzter Minute auffüllen, aber ich glaube nicht, dass Sie einen LOX-Tank in einer Rakete wirklich wieder unterkühlen können. Wärme, die in unterkühltes LOX eingeführt wird, erhöht seine Temperatur und das LOX dehnt sich aus und seine Dichte nimmt ab, es sei denn, es gibt dort auch zusätzliche "Kühler".

Auf jeden Fall verstehe ich jetzt jedoch, dass der Druck des Heliums immer noch außerhalb des LOX-Tanks verwendet wird und dass sie aus anderen Gründen nach innen bewegt wurden.

Dieser Weltraumnachrichtenbericht über ihren Vorfall während des Fluges enthält eine Erklärung der Tank-in-Tank-Anordnung. Es gibt anscheinend mehrere Heliumtanks innerhalb des LOX-Tanks.
Die Heliumtanks werden in den LOX-Tank getaucht. Das ist nicht neu, hier ist ein Bild der Heliumtanks im LO2-Tank der ersten Stufe des Saturn V scontent.fhou1-1.fna.fbcdn.net/v/t1.0-9/…
Sie werden von den Bodensystemen unter Druck gesetzt. Die Temperatur in einem LOX-Tank ist bei weitem nicht niedrig genug, um Helium zu verflüssigen.
@OrganicMarble erstaunliches Foto - eine ziemliche Erinnerung daran, dass nicht alle Raketen einen Durchmesser von 3,66 Metern haben :-)
Flüssiges Helium ist viel kälter als flüssiger Sauerstoff. (He 4,2 K, O2 90,15 K) Befindet sich im Inneren des Tanks für LOX ein Tank für flüssiges Helium, sollte der Heliumtank isoliert werden, da sonst viel Helium abkocht und der Sauerstoff an der Außenfläche des Heliumtanks verfestigen. Um einen leichten Heliumtank zu erhalten, der viel Helium enthält, ist flüssiges Helium gasförmigem Hochdruckhelium überlegen. Das Aufwärmen des kryogenen Heliums in der Nähe des Motors könnte der Temperaturunterschied von 4,2 K bis etwa 90 K sein, von flüssigem Helium zu gasförmigem Helium bei der Temperatur von LOX. Das Helium stark erhitzen
höher ist nicht sinnvoll, es würde im LOX-Tank schnell abkühlen und das Volumen und der Druck des gasförmigen Heliums wären viel geringer als.

Antworten (2)

  1. Es ist viel einfacher, das He zu kühlen, indem der Tank in den LOX-Tank gestellt wird. Wenn Sie draußen einen He-Tank hätten, müssten Sie ihn isolieren und für eine aktive Kühlung sorgen. Beides fügt Gewicht und Komplexität hinzu.

  2. Treibstofftanks können im letzten Moment unter Druck gesetzt werden: Sie füllen sie bei atmosphärischem Druck und entlüften den Boiloff (falls vorhanden). Für Siedepunkt-LOX: Wenn der Tank voll ist, schließen Sie das Entlüftungsventil, bis der Siedepunkt den Tank auf den gewünschten Wert drückt. Bei unterkühltem LOX schließen Sie das Entlüftungsventil und verwenden He, um den Tank unter Druck zu setzen. Das Befüllen bei Atmosphärendruck funktioniert, weil LOX eine Flüssigkeit ist. Sie können dies nicht mit einem Tank tun, der gasförmiges He enthält.

    Wenn sie die He-Tanks während des Treibmittelladens füllten, würden sie eine große Wärmequelle in den unterkühlten LOX-Tank einführen, was zu großen Mengen an Verdampfung führen würde. Laut Bedienungsanleitung tun sie dies jedoch . "Früh im Countdown" kann nur 1 Stunde vor dem Start sein.

    Zu Beginn des Countdowns führt das Fahrzeug LOX-, RP-1- und Druckbeladung durch.

  3. Nein.

  4. Er ist kein Treibmittel. Es bezieht sich nur auf RP-1 und LOX.

Diese Countdown-Sequenz bestätigt: Er und LOX werden gleichzeitig bei T -30 Minuten geladen.

Also für Punkt 2, wenn das der Fall wäre, würden sie während des Füllens auf etwa 5500 psi auf ungefähr LOX-Temperatur gekühlt werden? Das heißt, der Druck würde sich verdreifachen , wenn sie die Umgebung erreichen? (Natürlich gäbe es mehrere Überdruck-Entlastungsmechanismen, so dass das eigentlich nicht passieren sollte). Ich denke nur, dass ein paar Tanks, die bei <100 K auf 5500 psi gefüllt sind, etwas sind, das Sie nach dem Füllen wirklich besser kalt halten sollten. Nach dem Befüllen, während die Rakete bewegt wird und vor dem Betanken muss ein zuverlässiger Kühlmechanismus vorhanden sein.
Basierend auf 3 und 4, vielleicht die Zeile "An diesem Punkt im Countdown werden die Treibmitteltanks normalerweise nicht für den Start unter Druck gesetzt." ist ein bisschen ein Ablenkungsmanöver - der Heliumtankdruck kann der relevante Druck sein, nicht der Druck der Treibmittel.
Wo haben Sie das gefunden - gilt es, nachdem das Helium hineinbewegt wurde? Aus dieser Antwort "Bei der Umstellung auf Falcon 9 v1.1 und die Merlin 1D-Engine haben sie sie in beiden Phasen in die LOX-Tanks verschoben. Dadurch wurde der Motorbereich erheblich aufgeräumt."
Ich habe dies gerade auf spaceflight101.com/spacerockets/falcon-9-v1-1-f9r gefunden : "Generatorgas fließt durch einen Wärmetauscher, der Heliumgas für die Druckbeaufschlagung des Tanks im Flug erwärmt, bevor es durch einen Auspuff über Bord gelassen wird." Helium wird dort an mehreren Stellen diskutiert. Vielleicht wird Helium im Flug doch unter Druck gesetzt und sitzt nicht statisch bei 5500 psi.
Die LOX- und RP-Tanks werden mit etwa 5 bar und nicht mit 370 bar unter Druck gesetzt. Der He-Tank muss genug Gas enthalten, um den gesamten LOX-Tank bei 5 bar zu füllen. Um die Größe des He-Tanks gering zu halten, möchten sie, dass der Druck so hoch wie möglich ist.
Shuttle-Heliumtanks befanden sich nicht in den Propellertanks, wurden nicht aktiv gekühlt und waren nicht isoliert. Sie waren nicht für die Druckbeaufschlagung von Tanks gedacht. Beim Start des IIRC waren sie ~4500 psi.
Ich verstehe immer noch nicht. Sie können kein Abkochen von unterkühltem LOX haben, es sei denn, Sie haben Unterteilungen des Dankes bei unterschiedlichen Temperaturen. Ich glaube nicht, dass Sie LOX in den unteren 80% unterkühlen und gleichzeitig LOX in der Oberseite kochen können. Das eine oder andere muss es sein.
Festpunkt 2 zur Unterscheidung zwischen unterkühltem und siedendem LOX.
Ich denke, es gibt "mehrere Helien" - entschuldigen Sie den Begriff. Zusätzlich zu dem Hochdruck-Heliumgas in den COPVs , siehe Frage und Antworten , klingt es in der Countdown-Show auf der undatierten SF101-Seite in Ihrem Link sicher so, als ob das kryogene Helium entweder flüssiges Helium ist, das verwendet wird, um die unterkühlte LOX-Temperatur aufrechtzuerhalten, oder flüssig Helium, das beim Kryopumpen verwendet wird, oder beides. Kryopumpen sind schnell und wenn sie LHe-Dewargefäße anstelle von Kompressoren verwenden, können sie groß und nicht so empfindlich gegenüber Vibrationen, Kräften, Drehmomenten usw.
@Hobbes ... und deshalb habe ich gerade diese Frage gestellt . Und früher auch diese Frage .
"Vielleicht wird Helium doch im Flug unter Druck gesetzt..." Ein Wärmetauscher ist keine Pumpe. Wir denken, dass der Druck eines erhitzten Gases zunimmt, aber das gilt natürlich nur in einer Situation mit konstantem Volumen. Ein Wärmetauscher ist an beiden Enden offen. Die COPV-Heliumtanks von F9 befinden sich im LOX-Tank, um die Heliummole zu erhöhen, die in einem bestimmten Volumen und Druck gespeichert werden können, indem sie kalt gehalten werden. Das kalte Helium aus den COPVs wird im Wärmetauscher erhitzt, um die Wärmeausdehnung zu nutzen und das effektive Volumen des Heliums zu erhöhen. Aber der Wärmetauscher erhöht den Druck nicht.

Das He wird entweder als sehr komprimiertes Gas (Hochdrucktank) bei LOX - Temperatur ODER als noch kältere 4K-Flüssigkeit (Dewar mit mäßigem Druck) gespeichert.

Die Menge an He muss ausreichen, um sich auszudehnen oder zu verdampfen, um leere LOX- und Treibstofftanks auf Flugdruck zu füllen. Denken Sie daran, dass flüssiges He viel weniger Volumen einnimmt als komprimiertes He .

Beide Techniken funktionieren:

  • Bei Verwendung eines komprimierten He -Gastanks wird das Serviceventil geschlossen, bis LOX-/Treibstofftanks im Flug Druck benötigen, He - Füllung kann jederzeit erfolgen und der Druck ist sofort verfügbar. Je nach Geschwindigkeit und Füllmethode für Flüssigkeit/Gas kann es während des Füllens zu einer gewissen Wärmeübertragung kommen. Während des Fluges wird das unter Druck stehende Gas im Triebwerk erhitzt, um zu verhindern, dass das durch adiabatische (Joule-Thompson)-Kühlung verursachte Einbringen von He in Tanks bei niedrigen Temperaturen dazu führt, dass LOX/Treibstoff einfriert und Rohre verstopft.

  • wenn Flüssig-He -Dewar, kann das Befüllen vor, während oder nach dem Befüllen mit LOX/Brennstoff erfolgen. Es findet keine Erwärmung statt, wenn flüssiges He eingefüllt wird, sondern eine gewisse Abkühlung, wenn das Innere des Dewargefäßes 4 K erreicht. Das Boil-Off wird entlüftet, bis der Tankdruck benötigt wird, an welchem ​​Punkt die Entlüftung geschlossen wird und das Boil-Off den LOX-/Kraftstofftank auf Betriebsdruck bringt. Während des Fluges wird die Abdampfgeschwindigkeit aufrechterhalten, indem das flüssige He durch den Motor geleitet wird, um es zum Sieden zu bringen und den Druck in den Dampfräumen des LOX/Treibstofftanks aufrechtzuerhalten .

Die Erwärmung des He sorgt für eine willkommene Abkühlung des Motors ohne zusätzliche Kosten.

Beide Optionen profitieren von der Platzierung im LOX -Tank.

  • Die komprimierte He -Option profitiert von der Platzersparnis, da die geometrischen Hohlräume um einen Hochdrucktank herum mit LOX gefüllt und kein Platz verschwendet werden.
  • Die Flüssig-He -Option profitiert von einer freien Primärtemperaturabsenkung um das Dewar auf LOX- Temperaturen, während sie sich auf dem Pad befindet, und der Möglichkeit, flüssiges He in einem dünnwandigen Dewar zu verwenden, da der Differenzinnendruck im Dewar nur derjenige ist, der zum Zuführen von benötigt wird flüssiges He durch den motorbasierten Wärmetauscher.

Die Alternative eines externen Tanks erfordert einen sehr starken Tank für Hochdruckgas oder einen starken, gut isolierten Dewar für Flüssigkeiten.

Die niedrige Temperatur des sich ausdehnenden Heliums wäre ein potenzielles Problem im Treibstofftank , da es im Flug um das Dewargefäß und die Rohre herum gefrieren würde und die Vorteile der kryogenen LOX - Temperaturen verloren gehen, wenn die Flüssig -Helium- Option verwendet wird.

Viele der Kommentare in diesem Thread weisen darauf hin, dass das He im LOX -Tank flüssig ist und dies die größten Vorteile hätte, wenn man den He -Speicher in den LOX -Tank verlagert.

EDIT:
Es ist klar, dass das Helium im Tank anfangs kälter ist als der LOX. Es scheint auch, dass die He -Tanks eine komplexe Struktur mit einer inneren Aluminiumauskleidung haben, die von einem zusammengesetzten Festigkeitselement umgeben ist. Das Problem beim Befüllen scheint eher die Kälte als die Hitze gewesen zu sein. Die He -Tanks scheinen in der Lage zu sein, eher mit hohen Drücken als mit großen Temperaturunterschieden umzugehen. Es scheint, dass sie mit flüssigem He gefüllt sind und dann He unter Druck halten, während sie sich auf LOX - Temperatur erwärmen . Die vorgeschlagene langsamere Fülltechnik kann unter Druck stehendes He verwenden , um sie zu füllen, was eher eine MEHR Wärmebelastung als eine geringere verursacht, aber möglicherweise den vermuteten Feststoff vermeidetO2- Bildung. https://www.geekwire.com/2017/spacex-falcon-failed-helium-tank-iridium-jan-8/

Bei dieser Antwort scheint es ausschließlich um die allgemeinen Vorteile des Einbaus eines Heliumtanks in einen LOX-Tank zu gehen, aber die Frage bezieht sich speziell auf die besonderen Praktiken und den ungewöhnlichen Countdown-Zeitplan von SpaceX.
@NathanTuggy Das stimmt, aber in den Kommentaren scheint es so viel Verwirrung darüber zu geben, wie die Systeme funktionieren, dass alle anderen Kommentare und Antworten leichter lesbar sind, wenn die beiden Optionen einigermaßen klar definiert sind. Es ist auch ziemlich klar, dass die Hochdrucktanks nicht mehr benötigt werden, wenn sich ein flüssiges He-Dewar im LOX-Tank befindet. Es ist möglich, dass der journalistische Enthusiasmus die druckbeaufschlagten und flüssigen He-Systeme verwechselt hat.
Erläuterungen zu einer Frage gehören nicht als Antworten , was auch immer ihr Wert sonst sein mag. Und alles, was gelesen werden muss, bevor verschiedene Antworten richtig verstanden werden können, ist sicherlich keine Antwort.
Abgestimmt, bis Sie eine Referenz angeben, die ausdrücklich besagt, dass flüssiges Helium verwendet wird.
Es ist an sich nichts falsch daran, eine Frage zu stellen und sie dann selbst zu beantworten. Sie könnten erwägen, eine neue Frage zu stellen, auf die dies die Antwort ist, und diese dann stattdessen als Antwort dort zu posten. Beides wäre natürlich abstimmungspflichtig. Oder Sie könnten einfach eine Frage in der Form "Wurde flüssiges Helium verwendet in ..." stellen, und das könnte einen besseren Raum für die Untersuchung der Frage schaffen. Das könnte ein wirklich interessanter Weg sein.
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