Ein Kryotank in einem anderen Kryotank ... ist es ein solides technisches Konzept?

Hier ist die Idee: Ein großer kugelförmiger LH2-Tank wird in einem kugelförmigen LOX-Tank platziert.

Der Grund, warum ich daran dachte, ist, dass der Innentank nicht isoliert werden muss. Es muss kein doppelwandiger oder "Dewar-Kolben"-Tank sein. Der mit LOX gefüllte Außentank hält es isoliert. Daher würde der LH2-Tank sein Gewicht um 50 % reduzieren.

Oder zumindest ist das die Idee. Wäre das eigentlich eine gute Isolierung für den Innentank? Wenn ja, würde es das Gewicht des LH2-Tanks tatsächlich halbieren? Und selbst dann, gibt es dabei unüberwindbare Komplikationen?

Mit anderen Worten, ist der Panzer im Panzer ein solides Ingenieurkonzept für Raketenstufen?

Einige mögliche Komplikationen, die ich mir vorstellen kann:

  1. Eventuell müssen beide Tanks gleichzeitig befüllt werden.

  2. Die Leitungen vom LH2-Tank zum Motor müssten zunächst auch durch den LOX-Tank verlaufen.

  3. Das LOX könnte sogar noch mehr als normal gekühlt werden, wodurch sich seine Dichte und möglicherweise andere wichtige Eigenschaften in den Pumpen ändern, die es dem Motor zuführen.

AFAIK diese sind nicht schlecht/teuer genug, um unmöglich zu sein. Aber ich möchte hören, was du denkst.

EDIT: Ja, ich spreche von großen Kryotanks für große Raketenstufen, die Nutzlasten in die Umlaufbahn befördern. Es könnte jede Stufe sein, obwohl mir keine einzige erste Stufe bekannt ist, die LH2/LOX verwendet (ohne andere parallele Booster), also wäre es wahrscheinlich die 2. oder 3. Stufe. Diese können zum Beispiel für Saturn 1B oder Saturn V immer noch ziemlich groß sein.

EDIT: Es sieht so aus, als wäre LOX kein großartiger Isolator, da der Temperaturunterschied zwischen LOX und LH2 sehr groß ist. Ich dachte, dass, wenn beide Wärme durch Leitung austauschen, der LOX auch auf die Temperatur von LH2 sinken oder sich ihr nähern würde.

Die ersten Stufen der Ariane V und Delta IV verwenden LOX/LH2, ebenso wie STS.
@OrganicMarble mein Fehler, ich meinte die einzige erste Stufe.
Delta IV Medium hat keine Booster.
@OrganicMarble Ja, das habe ich gerade herausgefunden. Hatte keine Ahnung, dass es da draußen war. AFAIK ist die einzige orbitale Trägerrakete, die LH2/LOX in ihrer ersten Stufe ohne jegliche andere Booster-Hilfe (wie Feststoffraketen-Booster) verwendet.
"Der LOX würde auch auf die Temperatur von LH2 sinken oder sich dieser annähern" LH2 siedet bei 20 K, während Sauerstoff bei 54 K gefriert.
BFR plant, kleine Sauerstoff- und Methantanks zu verwenden, die in der Mitte der Haupttanks versteckt sind und die kleinen Vorräte für die aktive Landung enthalten. Es scheint jedoch keinen bestimmten temperaturbezogenen Grund für diese Platzierung zu geben; Die kleinen Tanks sind Druckbehälter, die die meiste Zeit in leeren Tanks aufbewahrt werden - die Haupttanks sind früh im Flug leer, die kleinen Tanks warten nur während des gesamten Fluges bis zur Landung. Wenn überhaupt, kann die zusätzliche thermische Belastung Probleme verursachen.
@DrZ214: Der Delta IV Heavy verwendet in seiner ersten Stufe nur LH2/LOX; Es hat zwar Booster, aber sie sind einfach zusätzliche Instanzen der Kernstufe.

Antworten (3)

...ist der Tank im Tank ein solides Ingenieurkonzept für Raketenstufen?

Ich verstehe das so, dass Sie nicht von Druckmittelflaschen oder anderen kleinen Geräten sprechen, die in die Treibmitteltanks eingetaucht sind. Stattdessen meinen Sie die großen Haupttreibstofftanks.

Dann: Nein, das ist keine gute Idee .

  1. Es muss kein doppelwandiger oder "Dewar-Kolben"-Tank sein.

    Booster haben keine doppelwandigen Tanks, daher ist kein Design erforderlich, um diese zu ersetzen. Booster können sich das Gewicht von doppelwandigen Tanks nicht leisten. Dieses Problem wird gemildert, indem der Booster so spät wie möglich in der Startzählung betankt wird. Die Kosten für das Abkochen einer kleinen Stütze sind viel geringer als die Strafe, die Sie zahlen würden, wenn Sie einen vakuumisolierten Tank hätten. Außerdem ... vergiss nicht ... für die oberen Stufen wirst du sowieso bald in einem Vakuum sein .

  2. Der mit LOX gefüllte Außentank hält es isoliert.

    Das Isolieren von LH2 durch Einwickeln in LOX ist wie das Isolieren eines Eiswürfels, indem man ihn in eine heiße Bratpfanne legt. Der Temperaturunterschied zwischen LOX und LH2 ist enorm. Tatsächlich hatte Centaur-G, das eine gemeinsame Trennwand zwischen den LOX- und LH2-Tanks hatte, ein spezielles Isolierungsschema, um speziell eine Wärmeübertragung zwischen LH2 und LOX zu verhindern.

  3. Ein großer kugelförmiger LH2-Tank befindet sich in einem kugelförmigen LOX-Tank.

    Booster-Treibstofftanks sind nicht kugelförmig. Sie sind zylindrisch.

Nun, das Einwickeln in LOX muss ein besserer Isolator sein als das Einwickeln in Luft mit Raumtemperatur, nicht wahr? Oder irre ich mich, weil Luft nicht so viel Wärme saugt wie LOX, da sie viel weniger dicht ist? Ich weiß auch, dass die meisten Tanks zylindrisch sind. Ich habe zunächst nur versucht, einen optimalen Fall in Betracht zu ziehen. Aber ich verstehe den ersten Punkt, bin aber trotzdem überrascht, dass Kryotanks nicht doppelwandig isoliert sind. Was ist mit der Saturn-IVB-Stufe, die einige Stunden im Weltraum warten musste, bevor sie erneut gezündet wurde, um Apollo zum Mond zu schicken?
Nochmals .... die SIVB-Stufe befand sich während der Küstenphase im Vakuum , sodass die Außenwände nicht isoliert werden mussten. Es gab jedoch eine interne Isolierung im LH2-Tank an der gemeinsamen Trennwand mit dem LO2-Tank ... wegen der enormen Delta-Temperatur. LO2 ist keine Hilfe für LH2, es ist ein Problem. books.google.com/…
Ok, ich glaube, ich fange an zu verstehen. Es klingt, als wäre es eine bessere Idee, den besten leichten, reflektierenden Sonnenschirm zu finden, den wir finden können, und ihn um den Wasserstofftank zu legen. Da es bereits eine Vakuumisolierung vom Weltraum hat, würde weniger Sonnenlicht zu weniger Abdampfen führen.
Ist es ein Vorteil, einen Tank mit kochendem LH2 in einem Tank mit gefrierendem LOX zu haben? Das Volumen von LH2 ist viel größer als das von LOX, die äußere Schicht von LOX ist dünn.

Ja, und in gewisser Weise wird dies tatsächlich bereits getan. Es birgt jedoch eine Reihe von Risiken und wird aufgrund dieses Risikos normalerweise nur für kleine Artikel verwendet.

Die Falcon 9 ist die Rakete, von der ich weiß, dass sie dies tut. Es gibt eine Reihe von Heliumtanks, die als COPVs bekannt sind . Diese müssten stärker isoliert werden, wenn sie nicht im LOX-Tank wären, wie die verknüpfte Frage andeutet.

Warum wurde dies nicht für einen größeren Tank durchgeführt? Diese Druckfahrzeuge sind schon ziemlich schwierig zu handhaben. Mit zusätzlicher Größe wird es noch schwieriger. Sie müssen in der Lage sein, sie zu betanken und den Kraftstoff zu führen. Wenn sich Kraftstoff und Oxidationsmittel im selben Tank befinden, bedeutet dies, dass selbst ein sehr kleines Leck praktisch garantiert explodiert, was sehr schlecht ist. Es würde auch bedeuten, dass Sie ein Loch benötigen würden, das groß genug ist, um den kleineren Tank in den größeren zu stecken, was möglicherweise mehr Probleme verursachen würde, um den Druck aufrechtzuerhalten. Die Heliumtanks funktionieren, weil sie klein und inert sind. Jedes Problem mit dem Tank führt nur zu einem Überdruckereignis. Die Falcon 9 hatte mindestens ein Problem, bei dem ein Panzer am Boden platzte, was den Flug um einige Monate verzögerte, aber keinen ernsthaften Schaden anrichtete. Ich persönlich vermute, dass dies die Ursache für den vorherigen Fehler war.

Insgesamt denke ich, dass es nach einer guten Idee klingt, aber es gibt einige ernsthafte Risiken. Wenn diese Risiken überwunden werden könnten, könnte es ein bisschen Gewicht sparen. Dennoch erwarte ich nicht, dass dies die Dinge in absehbarer Zeit wesentlich ändern wird.

Das ist ziemlich interessant. Lassen Sie mich ein wichtiges Detail fragen, um sicherzugehen: Sind Heliumtanks normalerweise doppelwandige Dewar-Flaschen? Dann sind bei Falcon 9 die Heliumtanks einwandig, das spart Gewicht?
Ich kenne das genaue Design nicht, aber im Falcon 9 1.1 haben sie eine Art Isolierung, die vom 1.0-Design entfernt wurde.
Bei Falcon 9 liegt der Hinweis bereits im Namen (Composite Overwrap Pressure Vessels). Ihre Basis ist ein dünner und leichtwandiger Tank, der später mit Kohlefaser umwickelt wird (ähnlich einem um einen Schlauch gewickelten Sticknähfaden), um ihm strukturelle Festigkeit zu verleihen und eine weitere Ausdehnung zu verhindern. Sie sind nicht wie Vakuum- / Dewar-Kolben, es gibt keinen isolierenden Raum zwischen diesen beiden Schichten.
Erwähnenswert ist, dass "jedes Problem mit dem Tank nur zu einem Überdruckereignis führt". Sie meinen, „kann dazu führen, dass die gesamte Rakete zerstört wird, was einen Schaden von fast einer halben Milliarde Dollar kostet“, wie Spacex vor kurzem herausgefunden hat.
Die 1. Stufe von Falcon 9 und Saturn V verwendete kaltes Helium, um die RP-1-Tanks unter Druck zu setzen. Kein flüssiges Helium. Die kalten Heliumtanks befanden sich im LOX-Tank, um sie kalt zu halten. Aber Helium wurde nicht verwendet, um den LOX-Tank unter Druck zu setzen, sondern GOX.
In Tanks innerhalb eines LOX-Tanks gespeichertes Helium ist gasförmiges Helium, keine Flüssigkeit und kein Kryo. Es gibt also keinen Kryotank in einem anderen Kryotank.
„Kraftstoff und Oxidationsmittel im selben Tank zu haben, bedeutet, dass selbst ein sehr kleines Leck praktisch garantiert explodieren wird.“ Ich liebe die Gewissheit des Internets. Lassen Sie das auf sich wirken: Der LOX-Tank war mit einem erheblichen Bruchteil des LH2-Volumens vollgestopft. Ich liebe die Gewissheit des Internets!
@caInstrument Ironie von Ihnen, da alle Ihre Posts nicht referenzierte Posts vom Typ "Vertrauen Sie mir, ich bin ein Experte" sind.
Der Aquarius war ein entbehrliches SSTO mit geringem Massenbudget für sicherere Anflüge. Es erlaubte auch 33 Verluste pro 100 Versuche. Gelegentliche Explosionen wurden als akzeptabler Kompromiss für reduzierte Kosten angesehen ... schauen Sie sich Astra an, um zu sehen, wie das funktioniert. Und tatsächlich wurden nur begrenzte Tests im kleinen Maßstab durchgeführt. ( web.archive.org/web/20160303210804/http://www.dtic.mil/dtic/tr/… )

„Ist es ein solides technisches Konzept?“

So oder so, es ist ein schlechtes Geschäftskonzept.

Kraftstofftanks und ihre Fahrzeuge funktionieren in der realen Welt. Echte Maschinisten, die echte Lagerbestände in echte Bühnen verwandeln, die echte Verarbeitungs-/Feldoperationen erfordern, für echte Nutzlasten, die echte Zeitpläne erfordern. Diese Felderfahrung hat uns gelehrt, dass es sich angesichts der Einsätze (mehrere Millionen US-Dollar/¥/£/€/was auch immer, nicht dass sowieso ein freier Sat herumliegt) nicht lohnt. Der mit einem Tankfehler verbundene Verlust ist so hoch und die Inspektionskosten im Gesamtablauf so niedrig, dass ein nicht inspizierbarer Tank EINFACH KEINE GUTE PRAXIS ist. Ein untergetauchter Tank ist nicht buchstäblich uninspektierbar, aber die zusätzliche Arbeit, die damit verbunden ist, lohnt sich nicht.

Es gibt Ausnahmen … in der realen Welt gibt es immer Ausnahmen. Die Ariane 5 ECA hatte einen halb untergetauchten LH2-Tank. Aber diese Stufe wurde von Ariane 4 abgeleitet (selbst von Ariane 3 usw.). Zwischen Ariane und mehr als zwanzig Jahren wurde der LH2-Tank ziemlich gründlich ausgearbeitet. Das, und es war anfangs keine so große Struktur, sicherlich in der modernen Ära der Trägerraketen und der größeren Luftfahrtindustrie. Es war der LOX-Tank, der ein riesiges Loch hatte, wo der LH2-Tank ein wenig herausragt. Aber es ist weniger wahrscheinlich, dass LOX sickert als Wasserstoff (was nicht?), und wieder war das Management der Meinung, dass dies innerhalb der aktuellen Technologie und Praxis liegt. Es gab auch einige Raketen, die Dinge mit ihren Panzern anstellten, aber das ist die Raketenwelt. Viele Dinge, die Sie ausprobieren können, wenn die Politiker Angst haben, Ihre Versuche zu finanzieren.

Der Kern der Ariane 5 ECA hat nur zylindrische Tanks mit einem gemeinsamen Schott. Die Trennwand ist festigkeitstypisch gewölbt und lässt den Sauerstofftank tatsächlich in den Wasserstofftank hineinragen. Die Oberstufe des ESC-A verwendet den LOX-Tank und die Unterstruktur der dritten Stufe der Ariane 4, mit einem neuen LH2-Tank mit größerem Durchmesser, der um die Oberseite gewickelt ist. Dies ist kein gewöhnliches Schott oder irgendeine Art von "untergetauchtem" Tank, die Tanks sind physisch getrennt: twitter.com/Mausonaut/status/771431952507428869/photo/1
Ich habe ESC-Kraftstoff / Ochsen rückwärts bekommen, aber der größere obere Tank hat eine seltsame Form, die sich an den Seiten des unteren Tanks erstreckt. Ob die Trennung einwandig oder doppelwandig ist oder nicht, ist semantisch – allein aufgrund der Druckbeaufschlagung handelt es sich um eine tragende Struktur.
Ein Kryotank in einem anderen Kryotank ... ist es ein solides technisches Konzept?
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