Was ist „Anti-Geysering“ und warum sollten Sie es 70 Sekunden vor dem Start ausschalten?

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Was ist "Anti-Geysering"...

tl;dr Anti-Geysering-Systeme sollen Geysering stoppen, ein Phänomen, das in langen vertikalen Rohren mit kryogenen Flüssigkeiten auftreten kann und dazu führt, dass Flüssigkeit aus dem Rohr in den Tankleerraum austritt, was möglicherweise schlechte Folgen für das Fahrzeug hat.

• Was ist überhaupt Geysering?

Das Geysir-Phänomen ist das schnelle Ausstoßen einer siedenden Flüssigkeit und ihres Dampfes aus einem vertikalen Rohr. Im Fall einer langen vertikalen Fluidsäule, die mit einem Reservoir verbunden ist, wie beispielsweise dem LO ₂ -Fallrohr zum LO ₂ -Tank des Space Shuttles, wird die Leitung von oben nach unten der Umgebungserwärmung ausgesetzt. Wenn diese Erwärmung beginnt, wird die an die Wand angrenzende Flüssigkeit erwärmt und wird weniger dicht als die Flüssigkeit in der Mitte der Linie. Aufgrund dieses Dichteunterschieds entsteht ein Konvektionsmuster, und warme Flüssigkeit steigt entlang der Rohrwand auf, während kühlere Flüssigkeit aus dem Reservoir in der Mitte der Leitung nach unten fließt, wodurch das System im Gleichgewicht bleibt.

Bei fortgesetzter Erwärmung bildet sich entlang der Wand eine Grenzschicht, die mit der Zeit dicker wird. Auch diese Schicht nimmt vom Boden des Rohrs zum oberen Ende des Rohrs hin an Dicke zu. Wenn die Heizrate ausreicht, um zu bewirken, dass die Grenzschicht wächst und das Rohr füllt, wird der kühle Fluidfluss aus dem Reservoir gestoppt, wodurch das Konvektionsmuster gestoppt wird. Mit dem Ende der Konvektion führt eine zusätzliche Erwärmung dazu, dass die Temperatur in der Flüssigkeit ansteigt. Schließlich wird ein Teil der Flüssigkeit gesättigt und siedet. An der Wand der Zuleitung bilden sich Blasen, lösen sich und beginnen in der Flüssigkeit aufzusteigen. Wenn sie aufsteigen, verschmelzen sie und bilden eine große „Taylor“-Blase. Die Bildung der großen Blase führt zu einem verringerten Druck darunter, und folglich werden mehr Blasen in der gesättigten Flüssigkeit gebildet. Diese selbsterhaltende Reaktion läuft schnell ab und bildet schneller Dämpfe, als sie aus der Zufuhrleitung entweichen können. Dadurch wird der Dampf schnell und heftig als Geysir aus der Zuleitung ausgestoßen. Der Geysir und der nachfolgende Wasserschlageffekt, der durch schnelles Nachfüllen der Schläuche aus dem Reservoir verursacht wird, kann schwere Schäden am System verursachen.

Das Ausstoßen von kryogener Flüssigkeit aus der Zuleitung in den Fahrzeugtank durch die schnell aufsteigende Blase führt im Allgemeinen nicht zu einer Beschädigung des Tanks oder der Zuleitung. Wenn dieser Ausstoß jedoch auftritt, wenn der Tank ein großes warmes Leervolumen enthält, kann eine Implosion des Treibstofftanks auftreten. Große Mengen kalter Flüssigkeitströpfchen werden in das Freiraumvolumen geschleudert. Die ausgestoßenen Tröpfchen bewirken eine schnelle Abkühlung und Kontraktion des warmen Füllgases. Infolgedessen kann der Tankdruck unter den atmosphärischen Druck fallen, wie in Abbildung 6.4-I gezeigt. Wenn der Tankdruck stark abfällt, ist eine Tankimplosion möglich.

Dieser Zustand wird durch die Installation eines einfachen Deflektors über dem Tankauslass verhindert. Der Deflektor verteilt die ausgestoßene Flüssigkeit und verhindert ein schnelles Abkühlen des Freiraumgases. Sobald der Tank mit Flüssigkeit gefüllt ist und der Füllraum klein und kalt ist, stellt dieser Geysir-Effekt kein Problem dar.

Der Hauptgeysireffekt, der Fahrzeugschäden verursachen kann, tritt nicht während des Geysirs auf, sondern während des Nachfüllens der Speiseleitung unmittelbar nach dem Geysir. Wenn der Geysir auftritt, wird die Zufuhrleitung im Wesentlichen von allem außer kalten Treibgasdämpfen geleert. Wenn sich die Leitung wieder mit kalter Flüssigkeit füllt, kondensieren die Dämpfe an der Grenzfläche der Flüssigkeit. Wenn die Dämpfe kondensieren, bieten sie kein Polster für die herabfallende Flüssigkeit.

Der Staudruck am Ende der Leitung, der durch das ungepolsterte Nachfüllen entsteht, kann extrem hoch sein und ist nicht vorhersehbar. Dieser Wasserschlageffekt ist in Abbildung 6.4-II dargestellt. Hohe Drücke, die sich aus dem Nachfüllen ergeben, können zu einem katastrophalen Ausfall von leichten Niederdruck-Zufuhrleitungen führen.

• "Anti-Geysering" ist die Bereitstellung von Systemen in der Trägerrakete zur Verhinderung von Geysering.

Um Geysering zu verhindern, muss die Flüssigkeit in der Zufuhrleitung in einem unterkühlten Zustand gehalten werden.

• Beispiele für Anti-Geysering-Systeme

1. Systeme, die kühle Flüssigkeit durch die Zuleitung zirkulieren lassen
2. Kühlung durch Heliuminjektion, die

...besteht statt der Einspritzung von Helium direkt in den hinteren Teil der Hauptspeiseleitung. Eine lokale Sättigung wird durch das Verdampfen von LO ₂ in die aufsteigenden Heliumblasen verhindert. Wenn die Heliumblasen aufsteigen, wird ihr Volumen erhöht, wenn der lokale Druck in der Leitung abnimmt. Die Verdampfung von LO ₂ in die Blase wird fortgesetzt, wodurch die Blase mit LO ₂ -Dampf gesättigt bleibt.

Quelle: Space Shuttle Booster Systems Briefs Abschnitt 6.4

Wie diese Kühlung durch Heliuminjektion physikalisch funktioniert, wird in der Antwort hier gut erklärt. Warum sollten unterkühlte LOX-Tanks bis zur letzten Minute oder so "aufgefüllt" werden?

• Ohne Kenntnis der Einzelheiten des Electron kann ich nicht kommentieren, welches System sie verwenden oder warum sie es an einem bestimmten Punkt im Countdown deaktivieren. Shuttle schaltete sein Anti-Geysir-System etwa 250 Sekunden vor dem Start aus, aber aus Gründen, die für Electron gelten können oder nicht. Diese gute Antwort Die Rolle des vom Boden gelieferten Heliums in der S-1C-Stufe erklärt, dass Saturn V sein Anti-Geysir-System vor der Zündung abgeschaltet hat, um die Motoren mit blasenfreier Flüssigkeit zu versorgen.