Warum hat SpaceX sich entschieden, Hydrazin gegenüber neueren „grünen“ Treibmitteln für Dragon 2 zu verwenden?

Erstens verstehe ich die Notwendigkeit, Hypergole anstelle von Kryotechnik als Teil der Abbruch- und Landesequenz von Dragon 2 zu verwenden - sie bieten "sofort an" Schub und sind mit sehr großen Margen drossbar (SuperDraco selbst kann auf 20 % drosseln).

Aber warum speziell Stickstofftetroxid & Monomethylhydrazin verwenden? Neuere Chemikalien wie AF-M315E (die im Rahmen der Green Propellant Infusion Mission getestet werden ) bieten einige ziemlich coole Vorteile. Betrachten Sie die zahlreichen Nachteile, die Hydrazin besitzt:

  • Hochgiftig . Beim Umgang mit Hydrazin sind Schutzanzüge erforderlich. Es ist in sehr geringen Konzentrationen giftig und auch krebserregend. Dies verlangsamt die Lade- und Entladezeiten und erhöht Kosten und Komplexität erheblich – etwas, das den Zielen von SpaceX diametral entgegengesetzt ist.

  • Kostspielig . 1990 zahlte die NASA 17 $/kg für Hydrazin . Ich bezweifle stark, dass es seitdem billiger geworden ist. Strengere Umwelt- und Handhabungsvorschriften haben die Kosten nur erhöht, und wenn Dragon 2 ein paar hundert Kilogramm davon hält, häufen sich diese Kosten.

  • Niedriger spezifischer Impuls . SuperDraco hat einen I sp von 235 Sekunden, was schrecklich ist. AF-M315E hat "50 % mehr Leistung". Dies könnte zu einer Reihe von Optionen für SpaceX führen. Sie könnten das Gewicht von Dragon 2 erheblich reduzieren, was die Bergung von Falcon 9 erleichtern könnte, alternativ könnte es ihnen ermöglichen, das gleiche Gewicht beizubehalten und mehr wissenschaftliche Instrumente oder Fracht an Bord zu packen. Eine weitere Option besteht darin, die gleiche Menge an Treibstoff beizubehalten und einen längeren, weniger aggressiven Landebrand zu ermöglichen oder während Abbruchsituationen einen größeren Manövrierspielraum bereitzustellen.

  • Fummelig . Hydrazin muss auch warm gehalten werden – was Heizgeräte erfordert, die Strom benötigen.

Jetzt merke ich...

dass AF-M315E immer noch relativ modern ist, aber auch Dragon 2. Die NASA verlangt, dass die Landungen vorerst unter Fallschirmen stattfinden, was genügend Zeit für Forschung und Entwicklung (etwas, das SpaceX sehr mag) für die Dragon-Integration mit dieser neueren Chemikalie lässt.

Kann jemand diese Entscheidung erklären, Hydrazin zu bevorzugen? Ist ein umweltfreundlicheres, leistungsfähigeres Treibmittel in der Upgrade-Reihe enthalten?

Bezüglich des I sp von 235 Sekunden, diese Zahl stammt aus einem Dokument, das von einem Berater für das FAA-Dokument erstellt wurde. Wer kennt die Herkunft dieser Nummer? Aus diesem FAA-Dokument geht hervor, dass dieser Wert anscheinend Isp auf Meereshöhe ist. Selbst dann sieht es für N2O4/MMH niedrig aus. Das ist der Isp von Monopropellant Hydrazin.
@David Hammen - Theoretischer Isp für N2O4/MMH id 288 s bei SL. Bei stark gedrosseltem, strahlungsgekühltem Motor sieht der 235er sehr realistisch aus. Die zitierte "50% gesteigerte Leistung" bezieht sich auf das Volumen Isp von "Hydrasin-Monopropellant-Systemen", der theoretische Isp der Winde beträgt ~200 s. Im besten Fall können "grüne Treibstoffe" die N2O4/MMH-Leistung erreichen, aber nicht überschreiten.
"das kostet kumulativ" Nach Ihren eigenen Zahlen sind es unwahrscheinlich, dass es mehr als ein paar tausend Dollar pro Fahrt sind. Selbst wenn die Alternative kostenlos wäre, ist das keine große Einsparung - insbesondere in Bezug auf die Ingenieurstunden.

Antworten (2)

TL;DR:

Die geringe Technologiereife, der sehr, sehr geringe Schub und die Notwendigkeit eines Katalysatorbetts bedeuten, dass dies die falsche Technologie für den beabsichtigten Zweck eines Startabbruchsystems und des Manövrierens in einer erdnahen Umlaufbahn war und ist.


Geringe Technologiebereitschaft

SpaceX begann vor über fünf Jahren mit der Arbeit an Dragon V2. Zu diesem Zeitpunkt hatte AF-M315E einen eher niedrigen technologischen Reifegrad. Die Technologiereife wurde bis 2013 auf 5 angehoben, aber das ist nicht so toll und das war viel zu spät.

Beim Entwerfen eines neuen Raumfahrzeugs muss man sehr sorgfältig auswählen, welche Elemente mit niedrigem TRL wirklich beim Design des Raumfahrzeugs verwendet werden müssen. Das Raumfahrzeug selbst hat definitionsgemäß eine ziemlich niedrige TRL. Jeder im Raumschiff verwendete Artikel mit niedrigem TRL muss eher skeptisch betrachtet werden. Im Fall von Dragon V2 hatte SpaceX Ingenieure und Betriebsmitarbeiter, die bereits mit gefährlichen Treibmitteln vertraut waren.

Sehr, sehr geringer Schub

Die Green Propellant Infusion Mission, auf die in der Frage verwiesen wird, zielt darauf ab, 22 Newton AF-M315E auf TRL 9 zu bringen. Dies ist irrelevant in Bezug auf die Art von Triebwerken, die für ein Startabbruchsystem für ein Raumschiff mit menschlicher Bewertung benötigt werden. Jedes Super Draco-Triebwerk liefert 73.000 Newton Schub. Um das gleiche Schubniveau bereitzustellen, würde das Fahrzeug 26.500 dieser 22-Newton-Triebwerke benötigen – oder es müsste den Schub um den Faktor 3300 erhöhen. SpaceX ging ein enormes Risiko ein, um den Schub seiner Draco-Triebwerke um einen Faktor zu erhöhen von 200. Der Vorschlag, den Schub um den Faktor 3300 zu erhöhen, ist mehr als riskant. Dies ist TRL 1-Territorium.

Bedarf an einem Katalysatorbett

Die Triebwerke Draco und Super Draco verwenden Stickstofftetroxid und Monomethylhydrazin. Das Anzünden dieser Mischung ist einfach: Mischen Sie die beiden und sie entzünden sich. Sie sind hypergolisch. Im Gegensatz dazu benötigt der in der Frage vorgeschlagene Monotreibstoff ein Katalysatorbett, um die Zündung auszulösen. Hier gibt es ein großes Problem: Katalysatorbetten skalieren nicht auf die Größe des von Dragon V2 benötigten Triebwerks. Große Motoren haben die lästige Tendenz, Katalysatorbetten aufzunehmen. Katalysatorbetten sind von Natur aus etwas dünn. Sie müssen; Gas muss durch sie strömen. Sie skalieren nicht so gut, besonders in Raketentriebwerken.

Ausgezeichnete Antwort, danke. Ich vermutete, dass das Katalysatorproblem ein Showstopper sein könnte, und Ihre Antwort scheint dies zu bestätigen. Besteht die Möglichkeit, dass das Katalysatorbettproblem gelöst wird und in den nächsten Jahrzehnten eine ausgereifte TRL erreicht wird? (Ja, tut mir leid, ich bitte Sie, in eine Kristallkugel zu blicken). Wenn nicht, bleibt AF-M315E für immer auf den Bereich der Anwendungen mit niedrigem Schub beschränkt?
Es gab einige Wasserstoffperoxidmotoren (die einen Katalysator benötigen) mit ziemlich hohem Schub, daher scheint es nicht unmöglich zu sein.
@Hobbes - Das größte Monoprop-Hydrazin-Triebwerk, das ich finden kann, ist das MR-80B-Triebwerk von Aerojet mit 3560 N (800 lbf). Das ist weit entfernt von dem Super Draco-Triebwerk mit 73.000 N (16.400 lbf).
Ich dachte an den Armstrong Siddeley Stentor , der einen Schub von 24 klbf/106 kN hatte. Es verwendete Hydrazin plus Kerosin, und ähnliche Motoren benötigten einen Katalysator, um das HTP zu zersetzen.
@Hobbes - Zunächst einmal wurde ein Bi-Treibmittel aus Wasserstoffperoxid und Kerosin verwendet. Kein Hydrazin! Zweitens ist der versilberte Siebkatalysator, der benötigt wird, um die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu starten (insbesondere wenn er als Bitreibstoff verwendet wird), ziemlich stark und haltbar im Vergleich zu den pelletisierten Iridium- oder Ruthenium-Katalysatorbetten, die benötigt werden, um die Zersetzung von Hydrazin (und offensichtlich AF-M315E) zu starten. Iridium ist hart und spröde und lagert sich nicht gut auf starken Materialien wie Stahl oder Nickel ab. Silber ist dehnbar und formbar, und es ist sehr einfach, versilberte Metalle herzustellen.
@DavidHammen "Katalysatorbetten skalieren nicht auf die Größe des von Dragon V2 benötigten Triebwerks. Große Motoren haben eine lästige Tendenz, Katalysatorbetten aufzunehmen." Können Sie eine Quelle angeben? Ich möchte mehr über das genaue Design von Katalysatorbetten lesen, insbesondere warum sie "Betten" genannt werden. Ich dachte, es wären nur Metallrahmen mit maximaler Oberfläche, und ich sehe keinen Grund, warum Sie das nicht vergrößern können. Es ist schwer, stärker zu werden als ein dreieckiger Metallrahmen. Warum neigen größere Motoren dazu, den Katalysator aufzunehmen, wenn so viel Kraftstoffmassenstrom vom Tank zur Motoröffnung fließt?
Die in den mit Shuttle-Hydrazin betriebenen APUs verwendeten Katalysatorbetten waren keine Metallrahmen, sondern poröse Zylinder, die mit körnigem Shell 305-Katalysator gefüllt waren. Ich bin nicht mit Hydrazin-Monopropellant-Triebwerken vertraut, aber ich könnte mir vorstellen, dass sie ein ähnliches Design verwenden.
  • Der Erfolg von SpaceX basiert hauptsächlich auf der Verwendung der besten bewährten Technologien, nicht auf kühnen Innovationen. Es gibt Innovationen im Produktionsprozess und im Geschäftsmodell, aber nur sehr wenige im Raketendesign.
  • Hochenergetische Monotreibstoffe sind sehr gefährlich. Hydroxylammoniumnitrat (AF-M315E) ist als Sprengstoff eingestuft. Es ist wahrscheinlich für den menschlichen Antrieb nicht akzeptabel und wird im Allgemeinen nicht getestet.
  • Monomethylhydrazin, Dimethylhydrazin und N 2 O 4 sind unangenehme Chemikalien, aber es gibt solide Erfahrungen mit der Wartung dieser gefährlichen Flüssigkeiten. Tatsächlich funktionieren sie perfekt als Treibmittel.
  • Die Entwicklung neuer Triebwerke auf MMH/N 2 O 4 stützt sich auf eine enorme Datenbank und Expertenwissen, da Hunderte solcher Triebwerke entwickelt wurden und im Einsatz sind. Die Entwicklung eines neuen Motors auf der Basis eines neuen Treibmittels kann lange dauern, vielleicht Jahrzehnte. Beispielsweise werden Treibmittel auf Methanbasis seit vielen Jahren untersucht. Trotz der Vorteile von Methan als Raketentreibstoff gibt es keine funktionsfähige Methanrakete.
  • Es gibt andere ungiftige Treibmittelkombinationen, wie in den Kommentaren erwähnt. Alle sie sind Bi-Treibmittel.
Ich würde es nicht als „gut erprobte“ Technologie bezeichnen, wie SpaceX Cross-Feeding in der Falcon Heavy verwendet, geschweige denn seine Versuche, auf einem Lastkahn zu landen. SpaceX verwendet Low-TRL-Technologien, wenn es sinnvoll ist. Bei dieser Frage macht es keinen Sinn.
Der Erfolg von SpaceX beinhaltet noch keine Landeversuche auf einem Lastkahn oder Cross-Feeding. Die äußerst erfolgreichen Raumschiffe Falcon 9 und Dragon sind eher konservativ als innovativ. Die Zukunft wird zeigen, ob die wiederverwendbaren VTVL-Raketen diesen Erfolg wiederholen werden. Querfütterung wurde übrigens von Hermann Obertht – dem Mentor von Von Braun – theoretisiert.
Du hast meinen Punkt verfehlt, @Val. SpaceX ist bereit, vernünftige Risiken einzugehen. Zusätzlich zu den beiden, die ich erwähnt habe, untersuchen sie auch Methan/LOX, wieder einmal ein niedriges TRL-Element. Andererseits ist das in der Frage erwähnte "grüne" Treibmittel kein vernünftiges Risiko.
(1) Jeder neue Treibstoff ist ein vernünftiges technologisches Risiko. Die Entwicklung von Antriebssystemen zeigt historisch langsame Fortschritte. AF-M315E wurde in den 1970er Jahren entdeckt. Seitdem kaum Fortschritte. (2) Ich bin mir nicht sicher, ob SpaceX bereit ist, vernünftige Risiken einzugehen. Ihre Kunden mögen keine Risiken. Das öffentliche Image des Unternehmens als mutiger Innovator ist das Ergebnis einer gut orchestrierten Propaganda. In gewisser Hinsicht kann die Frage, die wir zu beantworten versuchen, umformuliert werden als: Warum passt mein Lieblingsunternehmen nicht zu dem Image, an das ich glaube? ... Ich möchte diese Debatte nicht fortsetzen, weil sie zu persönlich geworden ist.
Falcon Heavy Crossfeed wurde zurückgestellt.
Warum hat SpaceX sich entschieden, Hydrazin gegenüber neueren „grünen“ Treibmitteln für Dragon 2 zu verwenden?
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