Ich habe über "kryogene" vs. "lagerfähige" Treibmittel und insbesondere über das Problem des Abkochens gelesen: Wenn die Lagertemperatur über den Siedepunkt des Treibmittels steigt, verdampft das Treibmittel und geht verloren. Anscheinend werden aus diesem Grund "speicherbare" Treibmittel wie Hydrazin für Satelliten verwendet, bei denen es keine Unterstützung dafür gibt, kryogene Treibmittel kühl zu halten.
Bedeutet dies, dass die thermischen Kontrollsysteme eines typischen Satelliten nicht genug Wärme abstrahlen können, um den Treibstoffspeicher kühl genug zu halten, um ein Abkochen zu verhindern? Was ist die typische Temperatur eines Satelliten, der die Erde umkreist, und warum kann sie nicht niedrig genug gehalten werden, um kryogene Treibstoffe zu verwenden?
Kurze Antwort :
Die Gesamttemperatur eines Satelliten um die Erde herum ist aufgrund der Wärme von der Sonne und der Wärme von Systemen mehr oder weniger gleich der am Boden.
Kryogene Treibstoffe müssen bei sehr niedriger Temperatur gelagert werden, sonst verdampfen sie. Dies ist nicht effektiv für einen Satelliten, der jahrelang in der Umlaufbahn bleiben muss (es sei denn, der Satellit umkreist Saturn, wo die Gleichgewichtstemperatur sehr niedrig und unter dem Siedepunkt zu sein beginnt).
Sie müssen in schweren Tanks aufbewahrt werden, um Verformungen durch den Gasdruck zu vermeiden.
Speicherfähige Treibstoffe sind einfacher zu handhaben und robust, falls das Kühlsystem vorübergehend nicht funktioniert.
Mehr Details:
Je näher das Raumschiff an der Sonne ist, desto heißer kann es werden.
Die Temperatur des schwarzen Körpers entsprechend seiner Entfernung von der Sonne (ohne Berücksichtigung der Albedo des Planeten)
(Quelle: Spacecraft Thermal Control Handbook , David G. Gilmore et.al.)
Abgesehen vom Schutz der Atmosphäre wird dies wirklich ein Problem sein, das Raumfahrzeug muss die empfangene Wärme abstrahlen, zusätzlich zu der Abstrahlung jeglicher Wärme, die von den Ausrüstungen an Bord erzeugt wird.
Die Temperatur in einem Raumfahrzeug ist das Ergebnis zweier gegensätzlicher Effekte:
(Quelle: Thermische Kontrolle des Raumfahrzeugs ). Beachten Sie, dass die vom umkreisten Planeten empfangene Energie mit der Höhe variiert (z. B. GEO vs. LEO), dies kann hier zur Vereinfachung ignoriert werden. Effekte wie Sonnenfinsternis und Satellitendrehung erhöhen die Komplexität für die Regulierung, werden aber auch hier ignoriert.
Das Ergebnis hängt davon ab, wie viel Wärme eingefangen oder erzeugt wird und wie effizient die Wärmeextraktion (durch Wärmeleitung) und die Wärmeabgabe ist. Diese resultierende Temperatur muss in dem Bereich liegen, der von den Systemen an Bord benötigt wird: z. B. Sensoren, Solaranlagen und Kommunikationsgeräte. Tatsächlich können verschiedene Bereiche des Raumfahrzeugs unterschiedliche Temperaturen haben.
(Quelle: Fundamentals of Space Systems , Vincent L. Pisacane)
Was auch immer diese Temperatur ist, sie muss reguliert werden.
STS-Außentank mit gasförmiger Sauerstoffverdampfung unter der Beanie-Kappe.
(Quelle: NASA )
LH2 hat eine Siedetemperatur von -183°C, dies ist in der Tat ein kryogener Kraftstoff. Hydrazin (UDMH) siedet erst bei 63°C. Es ist bei Erdtemperatur speicherbar.
Außerdem muss das Treibmittel möglicherweise oxidiert werden, um Energie zu erzeugen. Es gibt zwei Arten der Oxidation: entweder spontan – hypergolisch – wie bei UDMH mit N2O4 oder einen Zünder erfordernd wie bei LH2 mit LO2.
Eine nicht-hypergolische Verbrennung erhöht die Komplexität, ein Motor ist erforderlich, um den Kraftstoff und das Oxidationsmittel zu mischen und das Gemisch zu zünden. Dies ist ein Problem, wenn der Motor während der Mission viele Male gezündet werden muss, um die Fluglage und/oder Höhe beizubehalten. Ausfälle würden auftreten, aus diesem Grund werden nur hypergolische Satelliten verwendet.
Einige Treibmittel benötigen kein zusätzliches Oxidationsmittel, um Energie freizusetzen. Sie werden Monotreibstoffe genannt und arbeiten durch exotherme chemische Zersetzung.
Der Treibstoff wird am Ende durch die Triebwerke ausgestoßen.
Monopropellant Thruster - Quelle: Moog )
Es gibt zwei Arten der Triebwerksversorgung: Tankdruck und Pumpen.
Hydrazin-Blasentank, an den Absender zurückgeschickt (Quelle: Daily Mail Online )
Konstrukteure wählen in der Regel ein Antriebsmittel, das speicherbar und hypergolisch ist und ohne Pumpen auskommt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Treibstoff effizient sein muss ( spezifischer Impuls ), werden einige Kombinationen häufig auf Satelliten angetroffen:
Verwenden:
Bipropellants werden am häufigsten in GEO-Orbit-Raumfahrzeugen verwendet, sie werden für den Transfer von der Startumlaufbahn zu GEO verwendet.
Monopropellant-Systeme sind einfacher, aber weniger leistungsfähig.
Kaltgas sind immer einfacher, aber sehr weniger leistungsfähig.
Rhein
Rhein
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