Warum können kryogene Treibstoffe nicht zumindest am Boden gekühlt gelagert werden?

Tiefkalte Brennstoffe (flüssiger Wasserstoff, flüssiges Methan) ¹ und Oxidationsmittel (flüssiger Sauerstoff) ²sind die Raketentreibstoffe der Wahl, wenn die Rohleistung das vorrangige Anliegen ist, aufgrund der sehr hohen Leistung (nach chemischen Raketenstandards), die von Raketentriebwerken erzeugt wird, die kryogene Treibstoffe verbrennen. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie mit Siedepunkten weit unter der Raumtemperatur (oder der Außentemperatur der Space Coast oder sogar der Temperatur von Plesetsk im Winter) zu verdampfen beginnen, sobald die Rakete betankt wird. Um zu verhindern, dass die Tanks durch die dabei entstehende Gasansammlung platzen, wird das verdampfte Treibmittel durch Entlastungsventile abgelassen und geht dadurch für die Rakete verloren. Die Rakete zu isolieren hilft etwas, besonders bei flüssigem Wasserstoff,

Infolgedessen werden kryogene Raketen am besten gestartet, sobald sie voll betankt sind (um die Menge an Treibmittel zu minimieren, die vor dem Start verdampft), und kryogene Oberstufen sind im Allgemeinen nicht länger als eine Woche oder so gut. im Weltraum, bevor genug Treibstoff verdampft ist, um das Δv-Budget der Stufe unter das einer Oberstufe zu senken, die sogenannte „speicherbare“ Treibstoffe ³ (oder in einigen Fällen einen Festbrennstoffmotor) verwendet.

Andererseits ist es offensichtlich möglich , flüssigen Wasserstoff und Methan und Sauerstoff weit unter ihren Siedepunkt abzukühlen (wie die Tatsache zeigt, dass Sie die kryogenen Treibmittel in flüssiger Form zur Verfügung haben, um sie überhaupt in die Rakete einzubringen). über ein oder mehrere Kühlverfahren. Wenn man die Treibstoffe irgendwie auf Temperaturen unter dem Siedepunkt gekühlt halten könnte, selbst nachdem sie in die Rakete geladen wurden, wäre es möglich, das Problem des Verdampfens des Treibstoffs stark zu reduzieren oder sogar vollständig zu beseitigen . ⁴Dies sollte für die ersten Etappen nicht zu schwierig sein, wo sie nach dem Tanken nur auf dem Pad herumsitzen; Die Brennstoff- und Oxidationsmitteltanks könnten einfach über ein paar weitere Versorgungsleitungen in feste Kühlanlagen eingebaut werden, wobei die Ventile geschlossen werden, um die Tanks im Rahmen der Zündsequenz von der Bodeninfrastruktur zu isolieren, und die Versorgungsleitungen sich dann beim Abheben trennen:

Dies wäre für obere Stufen schwieriger, da sie (potenziell schwere) Kühlgeräte mit sich führen müssten, um ihre Treibstoffe bis zu ihrer Verwendung gekühlt zu halten (obwohl dies möglicherweise bis zu einem gewissen Grad durch gemildert werden könnte). Abwerfen der Kühlschränke vor der letzten Verbrennung der Bühne, wenn sie nicht mehr benötigt würden); Wo gekühlte Treibstoffe im Weltraum wirklich zur Geltung kommen würden, wäre ein Depot für kryogene Treibstoffe im Orbit, da die Kühlmaschinen (wieder) auf dem Stück Infrastruktur bleiben könnten, das nirgendwohin führt (hier das Treibstoffdepot), beim Kunden Raumfahrzeuge, die die Vorteile gelagerter kryogener Treibstoffe nutzen, ohne die Gewichtsnachteile von Kühlgeräten zahlen zu müssen. Zugegeben, die Kühlung tut eserfordern eine externe Energiequelle, aber Solarenergie ist für ein umlaufendes Raumschiff im Wesentlichen kostenlos, mit wiederaufladbaren Batterien, um die Perioden der Schattenzeit abzudecken.

Was vermisse ich?

¹ : Flüssiges Ethan, Ethylen und Propan sind ebenfalls kryogen (wenn auch bei weitem nicht so tief wie flüssiges Methan), wurden aber meines Wissens noch nicht in Massenproduktionsraketentriebwerken verwendet.

² : Flüssiges Fluor ist ebenfalls kryogen und ist tatsächlich ein Oxidationsmittel mit etwas besserer Leistung als flüssiger Sauerstoff, aber etwas teurer und schwieriger zu handhaben, führt zu Motoren mit spektakuläreren Ausfallarten und kann realistischerweise nur als Obermaterial verwendet werden -Stufen-Oxidationsmittel (aufgrund der großen Mengen an Fluorwasserstoff, die es mit allen gängigen Raketentreibstoffen produziert); Aus diesen Gründen wird es heute im Allgemeinen nicht als Raketentreibstoff verwendet.

³ : In der Praxis bedeutet dies im Allgemeinen hypergolische Treibmittel bei Raumtemperatur – im Allgemeinen Hydrazin und/oder eines oder mehrere seiner Derivate (für den Brennstoff) und Distickstofftetroxid (für das Oxidationsmittel).

⁴ : Sowie das damit verbundene Problem der Wärmeausdehnung gekühlter Flüssigtreibstoffe; Alle flüssigen Raketentreibstoffe (selbst solche, die bis zu Raumtemperatur und darüber hinaus flüssig sind, wie RP-1) dehnen sich mit steigender Temperatur aus, was einige Raketenchirurgen dazu veranlasst hat, diese Treibstoffe fast auf ihren Gefrierpunkt zu kühlen, um sie zu verwenden Verdichten Sie sie und lassen Sie mehr Treibstoff in die Tanks packen. Wenn die Rakete dann auf dem Pad sitzen muss und Wärme absorbiert, erwärmen sich die Treibstoffe wieder und dehnen sich aus, und eine gewisse Menge davon muss aus den Tanks gezogen werden, um sie am Platzen zu hindern, wodurch der Leistungsvorteil von gekühlten Treibstoffen zunichte gemacht wird.