ULAs Plan für die 2. Stufe von LH2/LOX, die das Treibmittel über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann?

Der (lange) Artikel von Business Insider, der größte Rivale von SpaceX, hat einen „genialen“ Plan, seine Raketenstartkosten um mehr als 70 % zu senken, enthält die Aussagen von ULAs CEO Tory Bruno:

Vulcan soll 40 Tonnen (fast drei Schulbusse) in eine erdnahe Umlaufbahn heben. Das ist weniger als der Falcon Heavy von SpaceX, der mehr als 70 Tonnen – fast fünf Schulbusse – für ein Viertel des Preises heben kann. Aber Bruno sagte, dass es große Unterschiede zwischen den beiden Systemen gibt, die Vulcan wettbewerbsfähig machen werden.

Der Hauptunterschied ist die Oberstufe der Rakete. Falcon Heavy verwendet derzeit ein RP-1-Kerosin in Raketenqualität als Treibstoff, das jedoch nach einigen Stunden im Weltraum gefrieren kann. Die obere Stufe von Vulcan wird kryogenen Sauerstoff und Wasserstoff verwenden, die widerstandsfähiger gegen die harten Temperaturen des Weltraums sind.

LH2 und LOX haben ungefähr die gleiche molare Dichte, aber die Stöchiometrie erfordert doppelt so viele Mol LH2. Wenn die Tanks durchgehend sind, würde dies bedeuten, dass der LH2-Tank fast doppelt so viel geometrische Belastung durch die Umwelt abfängt wie der LOX-Tank. Allerdings beträgt die Verdampfungsenthalpie von LH2 auf molarer Basis nur ein Viertel der von LOX (siehe LH2 und LOX ).

Ferner siedet LH2 beispielsweise bei 1 Atmosphäre bei etwa 20 K, während LOX bei etwa 90 K siedet. Das heißt, ohne aktive Kühlung müsste die Wärmebelastung in der Größenordnung von liegen$(4.5)^4$um ein Vielfaches niedriger, wenn LH2 verwendet würde (unter der Annahme von passiver Strahlung zur Kühlung), was bei Sonnenlicht eine echte Herausforderung wäre.

Diese Frage besteht aus zwei drei Teilen. Wenn ich sie aufteilen muss, werde ich es tun, aber es ist möglich, dass eine Antwort beide gleichzeitig ansprechen kann.

1. Wird ULA wahrscheinlich erwägen, den LH2-Tank der 2. Stufe in den LOX-Tank zu stellen (oder zumindest koaxial von ihm umgeben zu sein)?
2. Wenn die zweite Stufe nicht zum Jupiter oder darüber hinaus geht, ist die Erwärmung durch Sonnenlicht, das das LH2 zum Sieden bringt, nicht ein größeres Problem als das „Einfrieren“ des RP-1? (Siehe Erfordert der NK-33-Motor unterkühltes Kerosin, das so kalt ist, dass es sich in Wachs verwandelt? für einige Dichte-Temperatur-Plots.)
3. Um den LH2 monatelang kalt zu halten, würde die 2. Stufe am Ende ein bisschen wie der JWST aussehen, mit diesen großen metallisierten Polymerschichten, die eingesetzt werden, um die Sonne zu blockieren?

Temperatur einer kugelförmigen Kuh im Weltraum:

Kugelförmige Kuh, wie sie 1996 bei einem Treffen der American Astronomical Association in Bezug auf Astronomiemodellierung dargestellt wurde. Von hier : „Das Bild wurde von Ingrid Kallick für das Programmcover der Jahrestagung 1996 der American Astronomical Association erstellt. Eine frühere Version wurde für das National Center for Supercomputing Applications erstellt. Der Künstler gab der University of Wisconsin die Erlaubnis zur Verwendung Institut für Astronomie. Das STScI verwendete das Bild anschließend. http://www.ikallick.com "

Die Gleichgewichtstemperatur tritt auf , wenn die durchschnittliche Eingangsleistung der durchschnittlichen Ausgangsleistung entspricht , oder$\bar{P}_{in} - \bar{P}_{out}$. Die Mittelung sollte über kurzfristige Änderungen der Lage relativ zur Sonne erfolgen und Finsternisse für die meisten Umlaufbahnen in der Nähe der Erde, des Mondes oder eines anderen Planeten berücksichtigen.

Wo$a_{vis}$ist die Albedo des sichtbaren Lichts,$e_{ir}$ist das Infrarotemissionsvermögen (beide sollten wirklich gewichtete Durchschnitte über die entsprechenden Wellenlängenbereiche sein; die Kommentare von @Tristan und @Puffin erklären dies besser als ihre zugehörigen Antworten),$\sigma$ist die Stefan-Boltzmann-Konstante (etwa 5,67E-08 W m^-2 K^-4), und I ist die Intensität des Sonnenlichts, und für 1AU ist die Sonnenkonstante und etwa 1360 W/m^2. Das Auflösen nach der durchschnittlichen Gleichgewichtstemperatur dieser Kuh ergibt:

Für eine durchschnittliche sichtbare Lichtalbedo von 0,95 und einen durchschnittlichen Infrarot - Emissionsgrad von 0,95. es stellt sich heraus, dass es bei 1 AE ungefähr 130 Kelvin und in der Nähe des Mars ungefähr 110 Kelvin beträgt, und aufgrund der vierten Wurzel ändert sich dies nur langsam mit jedem der Parameter. Es scheint, dass der Weltraum viel LOX-freundlicher als LH2-freundlich ist, und es wären nur moderate Sonnenschutzmaßnahmen erforderlich, um das LOX bei einem Druck von 1 Atmosphäre unter den Siedepunkt zu bringen, wie einfach die 2. Stufe der Sonne zugewandt zu sein. weil Kühe nicht wirklich kugelförmig sind.

Aber was ist mit dem RP-1?

Wenn die Albedo eines hypothetischen "LOX-Kompartiments" 0,1 statt 0,95 wäre (wenn es 18-mal mehr Sonnenlicht absorbieren würde), würde die Temperatur um die vierte Wurzel von 18 oder etwa um den Faktor zwei steigen (siehe mein nachdenkliches (und unnötig herabgestimmt) Tutorial zur Verwendung von Potenzgesetzen in der Physik ). Das würde den RP-1 in die Nähe von milden 273 K oder 0 ° C bringen, " unterkühlt " und einsatzbereit! Dies kann durch die Darstellung der Gleichgewichtstemperatur der Temperatur für einen kugelförmigen schwarzen Körper um jeden der Planeten (ohne Berücksichtigung von Finsternissen und planetarer Albedo) bestätigt werden, die in dieser Antwort gefunden wird .