Warum benötigt der Falcon 9 ein Helium-Druckbeaufschlagungssystem?

Die Shuttle-Treibmitteltanks mussten unter Druck gesetzt werden.

Vor dem Start wurden die Tanks mit Helium unter Druck gesetzt, das von der Bodenunterstützungsausrüstung geliefert wurde.

Nach der Zündung des Haupttriebwerks des Space Shuttles verwendete das System eine autogene Druckbeaufschlagung . Heißer gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff wurden von den Motoren abgegriffen und zu ihren jeweiligen Treibstofftanks geleitet, um sie unter Druck zu setzen. Ein Sensor/Ventilsystem maß den Tankleerraumdruck und erhöhte oder verringerte den Druckmittelfluss nach Bedarf. (Spät im Programm wurde das System für gasförmigen Sauerstoff umgestaltet, um die Ventile zu entfernen).

Die Helium-Druckbeaufschlagung kann einfacher und billiger sein (keine Sensor-/Ventilregelschleife erforderlich, nur ein Regler) und daher für Falcon wünschenswerter. Einige Ausfallarten werden vermieden. Außerdem ist heißer gasförmiger Sauerstoff furchterregend reaktiv und erfordert extreme Sauberkeit und Materialstandards (dies war der Grund für die Neugestaltung des Systems) und kann wünschenswerterweise vermieden werden. Helium ist das genaue Gegenteil von reaktiv - obwohl es äußerste Sorgfalt erfordert, um ein Auslaufen zu verhindern. Die Nachteile der Helium-Druckbeaufschlagung könnten einen Gewichtsnachteil gegenüber einem autogenen System beinhalten, abhängig von den Details der jeweiligen Systeme.

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Wie funktioniert die Tankdruckbeaufschlagung?

Warum Helium verwenden?

Auch, obwohl mir klar ist, dass es nicht das ist, was Sie meinten, hatte das Shuttle sehr wohl ein Helium-Druckbeaufschlagungssystem. Tatsächlich viele von ihnen. Das Hauptantriebssystem verfügte über mehrere spezielle Heliumtanks , mit denen das System gespült, Ventile betätigt und die Rohrleitungen für den Eintritt unter Druck gesetzt wurden. Die orbitalen Manövrier- und Lagekontrollsysteme verwendeten hypergolische Treibmittel, die mit Helium unter Druck gesetzt wurden. Andere verschiedene Systeme verwendeten ebenfalls Heliumdruckbeaufschlagung, wie die Ammoniakkessel im Umweltkontrollsystem.

Danke, so viel ist klar; Die Frage ist eher, warum können sie nicht ohne Helium auskommen? Weil das Shuttle es nicht brauchte und das MCT es angeblich auch nicht brauchen wird, also warum der Falke?

Alle Raketen müssen den Tank während des Fluges unter Druck halten. Einige verwenden dazu heiße Abgase aus den Motoren. Andere nicht. Der in der Rakete verwendete Treibstoff ist der Hauptgrund, warum viele Helium verwenden. Der Falcon 9 verwendet RP1, das im Grunde Kerosin ist. Wenn Sie Kerosin erhitzen, erhalten Sie nicht genug heißes Gas, um den Tankdruck aufrechtzuerhalten. Sie benötigen also Brennstoffe, die sich beim Erhitzen stark im Volumen ausdehnen. Sie könnten genug heißen Sauerstoff aus dem Motor bekommen, um diese Arbeit zu erledigen, aber wenn Sie heißen Sauerstoff mit Kerosin mischen, könnten Sie einen internen Tankbrand und eine Explosion haben. Sauerstoff ist also mit keinem Brennstoff kompatibel. Helium und Stickstoff sind zwei gute Möglichkeiten. Ich glaube, dass der Saturn V in der ersten Stufe Stickstoff verwendet hat, um den Tankdruck aufrechtzuerhalten.

Die Merlin-Triebwerke verwenden Helium zum Spülen vor dem Start. Zumindest in den Tagen von Merlin 1C, und Sie können mehrere Abbrüche sehen, die wegen Heliumproblemen aufgerufen wurden.

Für die obere Stufe wird es verwendet, um die Tanks unter Druck zu setzen, um sicherzustellen, dass der Kraftstoff und das LOX richtig in die Motoren fließen. Die Pumpen saugen und die Helium-Druckbeaufschlagung drückt.

Helium wird verwendet, da es inert ist und sich gut komprimieren lässt. Es verbrennt also nicht mit dem Treibstoff oder LOX (was sehr schlecht wäre) und kann daher in kleineren, dichteren Verpackungen gelagert werden.

Die SSMEs wurden von vier Turbopumpen gespeist; Der Kraftstoff und das Oxidationsmittel wurden jeweils durch eine Niederdruck- und dann eine Hochdruck-Turbopumpe geleitet. Dadurch konnten sie ohne Kavitation aus einem Niederdruck-Kraftstofftank in eine Hochdruck-Brennkammer (20,6 MPa) einspeisen. Für die Falcon-Serie traf SpaceX eine Designentscheidung, eine einzige Turbopumpenstufe für den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu verwenden. Das Aufpumpen auf den Kammerdruck von 6,8 MPa in einer einzigen Stufe ohne Kavitation ist mehr, als die Pumpe bewältigen kann; ankommender Brennstoff und Oxidationsmittel müssen einen Mindestdruck aufweisen, der größer ist als der durch Treibmittelgewicht und Beschleunigung bereitgestellte. Ich spekuliere, dass sie auf die Helium-Druckbeaufschlagung verzichten könnten, indem sie eine Niederdruck-Turbopumpenstufe ähnlich dem SSME-Design hinzufügen, aber Gewichts- und Kostenüberlegungen begünstigten die Helium-Druckbeaufschlagung. Ebenfalls, Drucktanks erhöhen die mechanische Festigkeit, indem sie ein Knicken verhindern. Die Shuttle-Tanks waren dick und daher weniger anfällig für diesen Ausfall (Knicklast ist eine Funktion des Schlankheitsverhältnisses). Das schlanke Falcon-Design erfordert möglicherweise einen minimalen Innendruck, um Max-Q zu überleben.

Der Vorteil von Helium im Allgemeinen besteht darin, dass es buchstäblich ein perfektes Gas ist, was es zum perfekten Gas für die Druckbeaufschlagung macht. Sie können mehr Helium in einen Tank mit einer bestimmten Größe und einem bestimmten Gewicht füllen (vorausgesetzt, er ist für den Druck ausgelegt) als jedes andere Gas. Helium ist seit den 60er Jahren das bevorzugte Gas zur Druckbeaufschlagung. Das Gewicht, die Einfachheit und die Zuverlässigkeit von Hochdruck-Heliumflaschen haben sich bisher gegenüber anderen vorgeschlagenen Druckbeaufschlagungssystemen, wie z. B. dem Erhitzen eines Teils Ihres Kraftstoffs, durchgesetzt. Beachten Sie, dass ein Delta-IV-Start aufgrund von Kavitation im Einlass der Turbopumpe fehlgeschlagen ist. Wenn eine Rakete zum ersten Mal startet, ist sie voller Treibstoff und der Druck am Boden des Tanks ist sehr hoch; Wenn es sich dem Ausbrennen nähert, ist dieser Brennstoffstapel nur wenige Meter hoch, sodass der Druck, der in die Turbopumpe eintritt, viel geringer ist.

Das Helium isoliert die Emissionen der Steuerkreise von der Zündung der Kraftstoffmischungen und Abgase zwischen dem Steuermodul! Sie können Unterdruck verwenden, um den Startdruck des Systems aufrechtzuerhalten!