Как заправляются топливные баки криогенным водородом?

НАСА сделало обширный отчет по этому поводу, и фактически резервуары с криогенным водородом считаются одним из величайших технических достижений, которым удалось НАСА. Многое из этого относится к разгонному блоку Centaur, но вот несколько интересных цитат из статьи:

Страница 38

Боссарт вывел Мразека во двор завода, где стоял, сверкая на солнце, танк «Кентавр». Мразек спросил: «Что внутри?» На что Боссарт ответил: «Азот». Азот использовался для наддува до тех пор, пока ракета не была заполнена жидким водородом / жидким кислородом непосредственно перед запуском.

Страница 200

Одним из самых обременительных был интерфейс жидкостных систем и особые требования к сбросу жидкого водородного топлива, если миссию пришлось прервать. В конце 1984 года Джонсон выпустил Отказ от требований безопасности Centaur (WACR-1A), в котором требовалось изменить конструкцию системы наполнения, слива и сброса вентиляции. Проблема, которую он хотел решить, заключалась в размещении входных отверстий вентиляционных линий жидкого водорода и жидкого кислорода ниже уровня жидкого топлива на случай прерывания миссии.

Суть в том, что ракета была заполнена азотом до заполнения. Я не могу найти источник для него. Возможно, они также поместили гелий на его место или газообразный водород в качестве стопорного промежутка при его заполнении, но я не могу найти никаких источников для этой части информации.

Существующие ответы не совсем точно описывают процедуру для системы Space Shuttle (или, я полагаю, для Apollo, но я не уверен в этом на 100% - см. примечание в конце ответа). Топливные баки во внешнем баке (ET) космического корабля "Шаттл" никогда не заполнялись азотом.

Начальное условие для загрузки LH2 в бак ET LH2 было при температуре бака и трубопроводов окружающей среды. В резервуаре герметизировали гелием до давления на 6 фунтов на квадратный дюйм выше окружающего.

Первым шагом является охлаждение линий, ведущих от резервуара для хранения к мобильной стартовой платформе (MLP), через MLP к мачте хвостового обслуживания и через орбитальный аппарат к резервуару ET LH2. Чтобы начать этот процесс, ET LH2 выпускают в окружающую среду, открывая выпускной/предохранительный клапан. Клапанам в линиях передачи подается команда открыться, так что затем LH2 начинает вытекать из сферы хранения по линиям, упомянутым выше, в резервуар ET LH2.

После охлаждения линий начинается «медленное заполнение». Гелий используется для повышения давления в баке ET LH2 до давления на 24 фунта на кв. дюйм выше окружающего воздуха. Этот уровень давления поддерживается циклическим переключением выпускного/сбросного клапана по мере заполнения бака. Затем LH2 медленно перетекает в бак ET LH2, пока не достигнет 5% датчиков уровня бака.

Следующим этапом является «быстрое заполнение», которое достигается за счет повышения давления в сфере хранения и открытия клапана перекачивающей линии. LH2 быстро перетекает в резервуар ET LH2, пока он не заполнится примерно на 85%. В этот момент основной наполнительный клапан частично закрывается, чтобы уменьшить расход. Эта конфигурация используется до тех пор, пока датчики уровня жидкости 98% в ET не намокнут.

При 98% система переходит на доливку - медленное заполнение до 100%. Клапан перекачивающей линии и внутренний клапан наполнения и слива закрыты, наполнение продолжается через клапан отлива. Вентиляционный клапан открыт, бак ET LH2 находится под давлением окружающей среды.

Теперь бак заполнен до эшелона полета и режимы системы пополнения. Основной наполнительный клапан закрывается и добавляется LH2 для поддержания 100% загрузки и восполнения потерь из-за выкипания. Эта конфигурация будет поддерживаться до тех пор, пока незадолго до старта в баке не будет повышено давление гелия, чтобы обеспечить надлежащие условия входного давления для запуска главного двигателя космического корабля "Шаттл".

Источники

• Физическая модель для онлайн-обнаружения неисправностей в автономной криогенной системе загрузки
• Динамическая модель нагружения ракетного топлива жидким водородом

Примечание о загрузке LH2 в Apollo: в этом документе дается схематичное описание процесса, но на прилагаемом графике ясно показан процесс медленного/быстрого заполнения/долива/пополнения, аналогичный процессу Shuttle.

Если бак был заполнен газообразным азотом до заполнения жидким водородом, у нас есть проблема, жидкий водород настолько холодный, что газообразный азот становится твердым. Поэтому газообразный гелий лучше, это все-таки газ при температуре жидкого водорода. Твердый азот может повредить или разрушить турбонасосы и топливные клапаны.