Woher wissen sie, wie viel Flüssigtreibstoff sich kurz vor dem Start in einer Rakete befindet?

In dieser Antwort schrieb ich:

Mit anderen Worten, ein paar Tonnen hier oder da könnten von etwas so Einfachem abhängen wie dem Wetter oder dem Versuch, ein wenig zusätzlichen Treibstoff für eine bestimmte Mission mit einer engen Reichweitenbeschränkung einzupressen oder wo sie den wiederverwendbaren Booster landen wollen.

Ich denke, ein Unterschied von nur 0,5 % ist zu klein, um es auf einen festen Wert festzunageln.

Das bedeutet, dass die Treibstoffmasse einer bestimmten Flüssigtreibstoffrakete von einem Start zum nächsten leicht in der Größenordnung von einem Prozent (oder mehr) variieren kann.

Während es Massendurchflussregler für Flüssigkeiten gibt, die Dichteschwankungen während einer Befüllung dynamisch berücksichtigen können, hat LOX einen konstanten Verlust durch Abdampfen. Ein Teil kocht ab, um das Abkühlen des Tanks zu heilen, und ein Teil wird absichtlich abgekocht, um den verbleibenden LOX zu kühlen. Weitere Informationen dazu finden Sie in @Uwes ausgezeichneter Antwort auf Warum sollten unterkühlte LOX-Tanks bis zur letzten Minute oder so „nachgefüllt“ werden?

Frage: Woher wissen sie also, wie viel LOX in einer Rakete kurz vor dem Start ist, um einen Bruchteil eines Prozents zu sagen? Oder wissen sie es tatsächlich nicht so genau?

@Christoph sehr nett, poste eine Antwort, wenn du ein Beispiel zum Verlinken findest!
@Christoph: Das Messen des hydrostatischen Druckunterschieds zwischen Boden und Oberseite des Tanks ist nicht so einfach. Sie benötigen einen Differentialsensor, der mit einem sehr langen Rohr von unten nach oben sowohl an der Unterseite als auch an der Oberseite des Tanks angeschlossen ist. Oder Sie benötigen zwei unterschiedliche Absolutdrucksensoren für oben und unten mit guter Ausrichtung und kleinem Offsetfehler. Drucksensoren sollten von der Temperatur des LOX bis zur Umgebungstemperatur präzise arbeiten. Möglicherweise sollten sie bei konstanter Temperatur gehalten werden. Aber ein zylindrischer Tank mit zwei kugelförmigen Schotten hat keinen über seine Gesamthöhe konstanten Querschnitt.
@PcMan Hast du zuerst die vorherigen Kommentare hier gelesen, bevor du deine hinzugefügt hast?
Wir haben Drucksensoren mit einer Genauigkeit von weniger als 1 Pa. Temperatursensoren noch genauer. Das Modellieren der Geometrie des Tanks ist eine triviale Rechenübung. Es besteht keine Notwendigkeit, es mit der Technologie von 1870 zu messen.
@PcMan schreibe es als Antwort und lass die Leute vielleicht darüber abstimmen?
Die einfachste Form eines Differenzdrucksensors ist ein „Glasrohr-Wasserstandsanzeiger“. Glasröhre für Raketen ist die Dampfpunk-Idee, die ich dieses Jahr gehört habe!

Antworten (1)

Die externen Shuttle-Tanks verwendeten Flüssigkeitsstandssensoren. Sie können sie auf der linken Seite jedes Tanks in diesem Schema sehen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Quelle: Seite 95 des alten Pressehandbuchs

Verwandte Sensoren erlangten spät im Programm Berühmtheit, als die Flüssigwasserstoff-Niedrigfüllstandssensoren, die als Sicherheitssystem zum Abschalten der Hauptmotoren bei Kraftstoffmangel verwendet wurden, anfingen, „trocken“ anzuzeigen, wenn das Fahrzeug für den Start beladen wurde.

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Dieses Schema aus einem Datenblatt , in dem die Probleme erörtert werden, zeigt die "Punktsensorbox", die die Sensormesswerte (hohe und niedrige Pegel) verarbeitet und an die Bordcomputer und den Boden weiterleitet.

In Bezug auf die Genauigkeit können Sie die Sensoren 100%, "100 +" und "100 -" auf der Punktsensorlanze sehen.

Beim LOX-Panzer lag „100+“ bei 100,15 % und „100-“ bei 99,85 %. Beim LH2-Tank lag „100+“ bei 100,3 % und „100-“ bei 99,7 %. Die Ladegenauigkeit des Shuttles unter der Annahme perfekter Sensoren betrug also +/- 0,15 % für LO2 und +/- 0,3 % für LH2.

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Andere Fahrzeuge können abweichen.

Quelle für Sensorprozentsätze und Schemata - Space Shuttle Systems Handbook Volume 2 , Zeichnung 10.10

Ich verstehe, also benötigt der Füllstand sowohl Dichte- (Temperatur) als auch Volumen- / Forminformationen, um sich in eine Masse zu übersetzen. Glauben Sie, dass beide entweder bekannt oder zumindest auf +/-0,15 % geschätzt werden können?
Meine Informationen zu Ladevorgängen sind ziemlich spärlich. Die Tanks hatten Druck- und Temperatursensoren, sodass die Treibmittelqualität mit Sicherheit bekannt sein konnte. Ich weiß, dass sie am Ende des Ladens in einen Modus namens "Stallauffüllung" wechselten, bei dem Flüssigkeit durch die Tanks zirkulierte, wahrscheinlich um die Qualität zu kontrollieren. Als ich im Integrationsbüro arbeitete, gab es ein Programm namens PLOAD, das die Treibladungsmasse von diesen Sensoren berechnete, aber ich kenne die Genauigkeit nicht.
@uhoh: Die Temperatur von kochendem LOX (nicht unterkühlt) hängt vom Druck im Tank ab. Der Druck am Boden eines Tanks ist jedoch etwas höher als oben, daher sind Temperatur und damit Dichte nicht konstant. Aber wenn ein Tank etwa 20 m hoch ist, sind 0,1 % 20 mm. Die Dichte von LOX bei 1 bar beträgt 1,142 g/cm^3, der Druck von 20 m LOX liegt etwa 2,3 bar über dem Umgebungsdruck. Ich sollte nach einem Diagramm des Verhältnisses von Druck zu Temperatur und Dichte suchen. Aber was ist mit dem Volumen der gasförmigen Blasen im flüssigen Sauerstoff, ist es weniger als ein Prozent?
Ich habe nach einem Diagramm gesucht, aber ich habe nur einige Zahlen gefunden. Die Temperatur und Dichte von siedendem LOX in einem Tank von etwa 20 m Höhe ist nicht konstant. Oben bei 1 bar ist die Temperatur -183°C und die Dichte 1,142 g/cm^3. Aber etwa 23 m tiefer beträgt die Temperatur -173°C und die Dichte nur noch 1,091 g/cm^3, also 4,5 % weniger. Daher würde kaltes und dichtes LOX von oben nach unten im Tank sinken und wärmeres, weniger dichtes LOX würde von unten nach oben aufsteigen. Das Verhältnis von Dichte zu Höhe wäre sehr schwer zu berechnen. Natürlich würde sich die Dichte gasförmiger Blasen zwischen unten und oben ändern.
Ich wünschte, ich hätte mehr Informationen darüber, wie das Programm PLOAD funktioniert, aber ich habe keine und habe auch keine im Internet gefunden.
Woher wissen sie, wie viel Flüssigtreibstoff sich kurz vor dem Start in einer Rakete befindet?
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