L'ingegneria ad alto livello di propulsione criogenica

Ogni veicolo di lancio orbitale importante oggi in servizio, sia che si tratti dello SpaceX Falcon 9, del ULA Vulcan, dell’Ariane 6 o del sistema di lancio spaziale della NASA, si basa su propellenti criogenici per le sue fasi principali.

L'integrazione dei sistemi di combustibile criogenico in un veicolo di lancio non è una semplice questione di collocare un serbatoio all'interno di una struttura. Gli ingegneri devono gestire il trasferimento di calore, la contrazione materiale, le dinamiche fluide e i carichi strutturali simultaneamente, spesso sotto i requisiti contrastanti di bassa massa e estrema affidabilità.

Fondamenti dei sistemi criogenici di propulsione

I propellenti criogenici sono definiti dai loro punti di ebollizione: l'ossigeno liquido bolle a -183 °C e l'idrogeno liquido a -253 °C. A queste temperature quasi tutti i materiali comuni diventano fragili, le guarnizioni perdono la flessibilità, e qualsiasi perdita di calore provoca la vaporizzazione immediata. Un tipico sistema criogenico del veicolo di lancio comprende serbatoi di stoccaggio (spesso integrati come elementi strutturali della fase), linee di trasferimento, valvole, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, pompe, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, valvole, prese di ventilazione e attrezzature di stato e condizionamento.

L'idrogeno fornisce 142 MJ/kg quando viene bruciato con ossigeno, più del doppio dell'energia del cherosene. Tuttavia, la sua densità è di soli 71 kg/m3, che richiede serbatoi molto grandi e leggeri. L'ossigeno liquido è più denso (1,141 kg/m3) ma richiede ancora una gestione accurata per prevenire l'arricchimento dell'ossigeno nell'area circostante, che crea rischi di combustione.

Gestione termica: Mantenere freddo in un mondo caldo

Architettura dell'isolamento

La prima linea di difesa contro l'ingresso di calore è l'isolamento. I veicoli di lancio utilizzano più strati, da spray-on schiuma isolamento (SOFI, simile a quello utilizzato sul serbatoio esterno Space Shuttle) a multistrato isolamento (MLI) fatto di strati alternanti di foglio riflettente e materiale distanziatore. La scelta dipende dall'ambiente: la schiuma fornisce buone prestazioni in atmosfera e resiste all'erosione di pioggia, mentre MLI eccelle nel vuoto ma offre poca protezione durante la superficie di ascensione.

Anche con isolamento all’avanguardia, è inevitabile un certo flusso di calore. Un tipico serbatoio LH2 può sperimentare una velocità di ebollizione del 2–5% al giorno sul terreno, che richiede un ripieno continuo o una sfiato. Durante l’ascesa, il riscaldamento aerodinamico può sopraffare l’isolamento se non correttamente progettato.

Sistemi di raffreddamento attivo e zero-Boil-Off

Per ridurre l’ebollizione per le missioni a lunga durata, il raffreddamento attivo viene sempre più utilizzato. I Cryocooler, comuni nella strumentazione satellitare, vengono scalati per le applicazioni del veicolo di lancio. Un sistema zero-boil-off (ZBO) circola un refrigerante criogenico attraverso scambiatori di calore all’interno del serbatoio principale, rimuovendo la formazione di vapore e sopprimendo la formazione di vapore criogenico (CFM) della NASA.

Un'altra sfida termica è la stratificazione: la parte superiore di un grande serbatoio di propellante diventa più calda del fondo a causa della pressione idrostatica e della dispersione di calore attraverso le pareti e le superfici soleggianti. Senza miscelazione, lo strato superiore può raggiungere la temperatura di ebollizione mentre la parte inferiore rimane subcooled, portando a punte di pressione quando il veicolo accelera e le miscele di strato caldo.

Controllo di ventilazione e pressione

Per evitare la rottura, i serbatoi criogenici sono dotati di valvole di scarico che sfociano il gas in mare aperto. Tuttavia, sfiato significa perdere il propellante. Per un serbatoio LH2 da 100 tonnellate, anche un po' di ebollizione-off si traduce in centinaia di chilogrammi di prestazioni perse. Gli ingegneri devono bilanciare la massa isolante contro le perdite di sfiato, spesso utilizzando modelli di calore analitici e dati di volo per perfezionare i progetti.

Integrità strutturale sotto lo stress criogenico

Selezione dei materiali

Leghe di alluminio incise e temperato (ad esempio 2219, 2195) sono i cavalletti di lavoro per serbatoi di idrogeno e ossigeno perché mantengono resistenza alla trazione e resistenza alla frattura fino a -250 °C. Gli acciai inossidabili (ad esempio, 304L, 321) sono utilizzati per linee e valvole a causa della loro bassa conducibilità termica e dell'eccellente resistenza al gas.

Contrazione termica

Quando un serbatoio è raffreddato da ambiente a -253 °C, si riduce di circa lo 0,4% in tutte le dimensioni. Per un serbatoio di diametro di 10 metri, che è 40 mm di contrazione radiale. Questo movimento deve essere alloggiato senza supporti sovratensioni, linee, o struttura adiacente. Contrazione differenziale tra materiali diversi — per esempio, un serbatoio di alluminio e una gonna composita—richiede giunti flessibili, soffietto motore, punti di fissaggio o di carico slot.

Fatigue e Frattura

I veicoli di lancio sperimentano cicli di temperatura ripetuti: fresco-down, tenere a temperatura criogenica, riscaldamento dopo il volo, e forse riutilizzare per booster come il Falcon 9. Ogni ciclo induce tensioni termiche che possono nucleare crepe, soprattutto a saldature, flange e penetrazioni.

Dinamica e trasferimento dei fluidi criogenici

Pompe e Cavitazione

Per ottenere il propiziatore dal serbatoio al motore ad alti tassi di flusso (centri di kg/s) mantenendo il liquido è un compito formidabile. I turbopomp devono essere progettati per evitare la cavitazione—la formazione di bolle di vapore a causa di bassa pressione all'ingresso della girante.

Valvole e guarnizioni

Le valvole solenoide, le valvole a sfera e le valvole a poppet sono comuni, ma devono usare materiali che mantengono elasticità, come gli elastomeri di fluorocarbonio o i sigillanti metallici caricati a molla (K-seals, C-seals). Le velocità di accensione sono specificate in gocce standard al minuto, ma per l'idrogeno, il più piccolo rischio di perdita intermedia può accendere.

Processi di riempimento e di riduzione

Prima che un serbatoio criogenico venga riempito deve essere raffreddato lentamente per evitare lo shock termico e per evitare un eccessivo flusso bifase. Una procedura tipica comporta scorrere elio freddo o criogenico gassoso nel serbatoio vuoto, seguita da un trickle di liquido che lampeggia al gas fino a quando il metallo raggiunge la temperatura di prossimità-propellante. Solo allora può iniziare il riempimento ad alta velocità. Il flusso di due fasi durante il raffreddamento può causare oscillazioni di carico, anche perdite strutturali di calcolo.

Durante il lancio, il propellante deve essere tenuto privo di geysering. Un geyser si verifica quando le bolle di vapore in un crollo verticale della linea, sbattendo la colonna liquida indietro verso il basso con le forze elevate. Dispositivi antigeyser, come un "standpipe" che permette al vapore di sfuggire verso l'alto, sono comuni nei sistemi LOX.

Supporto e integrazione di sicurezza

Caricamento e rifornimento propellente

Il sistema di stoccaggio del terreno (spesso una sfera che tiene fino a un milione di litri) alimenta il veicolo attraverso tubi a vuoto, il processo di carico utilizza un "scheduled" tasso di riempimento che corrisponde alla capacità del veicolo di gestire il flusso a due fasi.

Avvolgimenti di sicurezza dell'ossigeno

L’ossigeno liquido non è infiammabile, ma sostiene fortemente la combustione. Qualsiasi materiale organico, grasso, olio, anche abbigliamento, può accendere violentemente in un’atmosfera ricca di ossigeno. Le procedure di pulizia per i sistemi LOX sono estremamente severe, e tutti i componenti devono essere “LOX clean”. L’ossigeno reagisce anche con molti metalli ad alta pressione, causando fuoco e esplosione se si verifica una perdita.

Intricazioni idrogeno

L'idrogeno è la più piccola molecola e perde attraverso lacune microscopiche, subendo l'embrittlement dell'idrogeno negli acciai ad alta resistenza. Per LH2, le saldature sono ispezionate con spettrometria di massa elio, e tutte le guarnizioni devono essere bloccate o purificate con gas inerte. La bassa temperatura rende anche la condense dell'aria circostante, creando una nube visibile e il rischio di arricchimento dell'ossigelo continuo vicino al suolo.

Innovazione che modella il futuro

Isolamento e schiuma multistrato avanzate

Per l’Esplorazione Upper Stage, la NASA sta sviluppando una fitta “Spiuma strutturale” che si lega alla parete del serbatoio, eliminando le tasche per l’accumulo di idrogeno. L’obiettivo è un isolamento combinato e una struttura che riduce sia la complessità di ebollizione che la complessità di produzione.

Sistemi Zero-Boil-Off (ZBO) per lo spazio

Lo spostamento verso il rifornimento nello spazio e i soggiorni lunari estesi spinge la necessità di ZBO. Cryocoolers in grado di rimuovere decine di watt a 20 K sono stati dimostrati in orbita (ad esempio, sulla missione CryoCube). Integrare uno scambiatore di calore ZBO all'interno di un grande serbatoio senza aggiungere eccessiva massa o introdurre percorsi di fuga è un'area attiva di ricerca.

Vescoli a pressione sovrascritti (COPV)

I COPV sono ampiamente utilizzati per il pressurant elio e possono essere adattati per il servizio criogenico con il rinforzo di carbonio e un liner di metallo o polimeri. Le gusci sottili e ad alta resistenza offrono risparmi significativi di massa, ma il ciclismo termico può causare microcracking nella fodera.

Monitoraggio della salute strutturale (SHM)

Per rilevare crepe, perdite o degradazione prima di diventare critici, gli ingegneri stanno incorporando sensori di fibra ottica e sensori di emissione acustica in pareti di serbatoi criogeniche. Questi sensori possono misurare la temperatura, la tensione e la presenza criogenica in tempo reale. SHM è essenziale per veicoli riutilizzabili, dove gli stessi serbatoi volano molte volte e devono essere ispezionati rapidamente tra i lanci.

Nuove architetture di veicoli

I progetti di razzo come il ]SpaceX Starship e il ULA Vulcan] pongono maggiori richieste sui sistemi criogenici utilizzando paratie condivise (dome comune tra ossigeno e metano / serbatoi di idrogeno) e richiedendo lungo on-orbit loiter per sequenze di multi-bruciore.

Conclusioni

L’ingegneria dei sistemi di combustibile criogenico è una disciplina che tocca quasi ogni ramo della tecnologia aerospaziale: scienze termiche, dinamiche fluide, scienza dei materiali, meccanica strutturale e sicurezza dei sistemi. Ogni nuovo veicolo di lancio spinge i confini di ciò che è possibile, esigendo una visione più bassa di bollitura, serbatoi più leggeri e componenti più affidabili.