Необходима ли герметизация топливных баков для структурной целостности?

Наддув топливного бака является критическим аспектом конструкции жидкостного ракетного топлива. Во многих конструкциях используется гелий высокого давления, нагретый и рециркулируемый, однако можно использовать и сами пороховые газы - по крайней мере, в случае LH2, как объясняется в этом ответе . В случае с Falcon 9 это упоминается здесь и здесь, как я узнал из обсуждения и ссылок, связанных с этим вопросом .

Другой вопрос . Почему системы с принудительной подачей должны быть герметизированы гелием или азотом? обращается к вопросу о том, почему выбор газа наддува должен быть гелием или азотом , а сам наддув - собственным газом выкипания. Это другой вопрос. Я спрашиваю о функции или цели герметизации и относительной важности двух следующих возможностей.

Я думал, что давление необходимо только для достаточно быстрой подачи топлива в насосы и другую сантехнику двигателя, но потом я увидел эту строчку в статье CSMonitor: Взрыв при запуске SpaceX связан с гелиевой системой. Что теперь? :

Гелий впрыскивается в топливные баки, чтобы сохранить их структурную прочность, поскольку пусковая установка сжигает топливо во время полета. Эта система, по-видимому, дала утечку во время статического испытания.

Если подумать, избыточное давление, безусловно, помогло бы сохранить жесткость бака. Любой, кто видел эксперимент " раздавить банку ", не сможет его забыть.

Вопрос: Действительно ли герметизация топливных баков необходима для структурной целостности? И хотя поддержание давления выше окружающего может быть необходимо для предотвращения коробления, используется ли дополнительное положительное давление в механической конструкции ракеты для существенного повышения жесткости конструкции?

введите описание изображения здесь

вверху: изображение эксперимента « Раздави банку », Рональд Лейн Риз, Университет Джонса Хопкинса (1999).

@DavidHammen Я читал это ранее, но не вижу там ничего, что касалось бы структурной целостности. Требуется ли герметизация для «одновременного выполнения двух важных функций»? Этот вопрос и ответ, по-видимому, касаются того, почему резервуары не создают самогерметизацию и почему гелий необходим для повышения давления, но не исчерпывающего рассмотрения всех причин, по которым резервуары должны быть герметизированы.
Структурная целостность не имеет к этому никакого отношения, по крайней мере, в случае второй ступени (где произошел взрыв во время недавнего провала испытаний на площадке SpaceX). Вторая ступень Falcon 9 загорается на высоте около 80 км. Это по сути вакуум.
@DavidHammen Итак, если вы уверены, что гелий не используется для поддержания структурной целостности ракет, вы можете опубликовать это как ответ на мой вопрос о необходимости гелия для поддержания структурной целостности ракет. Мой вопрос не связан ни с какими взрывами, ни особенно со вторыми ступенями, и я думаю, что это довольно ясно, если вы прочтете его еще раз.
Шаттл использовал автогенное наддув, но причины остались прежними. Не упомянутым является требование поддерживать адекватное давление на входе в насос для предотвращения кавитации (чистое положительное давление всасывания). Это требование определяло многие правила полета для танка шаттла H2.
Не публикую в качестве ответа, потому что это не гелий, но я нашел ссылку в правилах полета шаттла, в которой говорится, что потеря незаполненного давления в баке H2 может привести к структурному отказу: пониженная скорость в результате отказа двух клапанов управления потоком GH2 или засорение системы наддува GH2 Ветвь для конкретных конфигураций двигателя или три клапана управления потоком GH2 не закрылись во всех случаях, потенциально может привести к потере экипажа и транспортного средства либо из-за преждевременного отключения двигателя (из-за LH2 NPSP), либо из-за разрушения конструкции ET. Ссылка www.jsc.nasa.gov/news/columbia/fr_generic.pdf, обоснование A5-155
@OrganicMarble В поисках этого термина я нашел этот ответ , и, наряду с другими чтениями, я думаю, что это означает, что гелий (в данном случае) из небольших резервуаров нагревается, так что он расширяется и создает давление внутри, попадая в гораздо более крупные топливные резервуары. Ваш комментарий о кавитации имеет смысл - давление не только доставляет топливо к насосам, но и поддерживает минимальное давление, необходимое для безопасной работы. Могла ли ракета внезапно согнуться в полете, если в ней упало давление в баке? Действительно ли была продемонстрирована необходимость честности из-за давления?
Мы назвали ET самонагнетаемым, потому что он использовал те же компоненты топлива, которые он содержал в качестве нагнетателей (нагретых в двигателях).
Вот тот, который вышел из строя из-за потери давления (конечно, это был знаменитый баллонный баллон) Ракета 5С (20 февраля) полностью вышла из строя, когда клапан отключения топлива не закрывался должным образом при отделении бустера. Давление в топливном баке было потеряно, что привело к реверсу промежуточной переборки и самоликвидации ракеты в Т+172 секунды. с en.wikipedia.org/wiki/SM-65C_Atlas
@OrganicMarble Я отредактировал вопрос, чтобы не указывать гелий. Мне действительно нужно понять структурную целостность ракеты - ее механику. Необходимо ли значительное положительное давление для предотвращения механического отказа во время запуска - скажем, около максимального Q, например, или это необходимо только для предотвращения отрицательного давления и коробления. Может быть, мне следует переписать еще раз и отточить это?
@OrganicMarble Например, 10-метровая глубина жидкости 1 г / см ^ 3 уже дает 14 фунтов на квадратный дюйм на 1 г ускорения (гравитации). За исключением начального незаполненного объема, кажется, что ускорение после начала запуска создаст гораздо большее давление на дне бака, чем любое повышение давления в баке. Это решит проблемы с подачей и кавитацией. Однако в верхней части баков в пространстве над уровнями топлива давление пустой части будет контролироваться газом и может быть низким, что может снизить жесткость, и действительно станет ниже атмосферного, что может привести к короблению.
Для бака Shuttle O2 герметизация была гораздо менее важна для кавитации по причинам, которые вы перечислили (LOX, IIRC, 6 фунтов / галлон), и, кроме того, он располагался сверху бака LH2, давая высокое число rho xgxh, но LH2 составляет всего 1 фунт / галлон, и NPSP (кавитация) стала проблемой перед конструкцией этого резервуара. (выпускное отверстие бака на самом деле изогнуто вверх, а не вниз)

Ответы (2)

Стабилизация давления используется в некоторых ракетах, и в разной степени.

  • Atlas и Centaur используют «полномасштабную» стабилизацию давления. Стенки резервуара были настолько тонкими, что ступень без давления могла разрушиться под собственным весом (огромный PDF). Сцена должна была постоянно находиться под давлением (или находиться в опорном приспособлении).
  • Falcon 9 использует стабилизацию полетного давления . Стенки резервуара достаточно толстые, чтобы ступень могла выдерживать собственный вес и не требовала герметизации во время производства или транспортировки. Он нуждается в герметизации в полете, чтобы выдерживать полетные нагрузки.
  • Saturn V не использовал стабилизацию давления. Конструкция сцены достаточно прочная, чтобы самостоятельно выдерживать полетные нагрузки.
Ага! Ракетчик спешит на помощь! Спасибо, что собрали все это в одном месте, а также процитировали и задокументировали примеры каждого из них. Это тот тип ответа, который полезно иметь в виду и вернуться к нему позже. Я бы никогда не догадался, что будет рассматриваться «полномасштабная» ситуация, а тем более такая устоявшаяся конструкция ракеты!
Я изменил ссылку. Это старая брошюра SpaceX.
всем на заметку - переходите по ссылкам внутри ссылки Atlas, или tl;dr к изюминке: youtube.com/watch?v=o7A6GBqre1k - предположительно потеря (в данном случае) спутника-шпиона во время предстартовых испытаний из-за ракеты глохнет из-за потери давления...
Есть хороший график, показывающий прогнозируемое давление незаполненного объема и предельные линии структурного и двигателя ICD для танков челнока ... но я не могу найти его в Интернете :(
@OrganicMarble, безусловно, есть место для большего количества вопросов и ответов, связанных с давлением в топливном баке, его статическими и динамическими проблемами!
Для резервуара, в котором не используется стабилизация давления, давление внутри и снаружи может быть одинаковым. Но если разница давлений слишком велика, бак будет раздавлен (давление снаружи больше, чем внутри).
Starship использует баки со стабилизированным давлением?

Возьмем, к примеру, резиновую лодку. Трубы лодки должны быть заполнены воздухом, чтобы лодка могла плавать и нести груз. Но для придания лодке устойчивости на волнах необходим определенный напор. Слишком большое давление внутри труб лодки разрушит их. Давление должно поддерживаться в определенных пределах.

Топливный бак ракеты должен быть максимально легким, определенное давление внутри сделает конструкцию бака жесткой против изгибающих усилий. Опять же, давление должно поддерживаться в определенных пределах, слишком низкое может привести к разрушению баков при изгибе (поскольку они сделаны из металла, а не из резины), слишком высокое давление само по себе разрушает бак. Пределы давления должны соблюдаться при стоянке ракеты на пуске с пустыми баками, при загрузке топлива, в ожидании воспламенения и выкипания LOX и LH2, при закачке топлива в камеру сгорания, а также при выходе воздуха из давление снаружи уменьшается от уровня моря до вакуума. Необходимо поддерживать не абсолютное давление внутри резервуара, а относительное давление снаружи.

Можно построить и бак, устойчивый, когда давление внутри равно давлению снаружи, но он будет тяжелее и, следовательно, скорость при выключении двигателя будет ниже. Трубы резиновой лодки демонстрируют, какая дополнительная жесткость возможна, когда внутреннее давление выше нижнего предела.

Уве Я не спрашивал, может ли инфляция сделать ситуацию жестче. Я специально спросил, необходима ли герметизация топливных баков (жидкотопливных ракет) для структурной целостности. Можете ли вы попытаться конкретно ответить на этот вопрос и подкрепить свой ответ ссылкой или двумя. Например, сгибалась ли когда-нибудь ракета, требующая герметизации для структурной целостности, в полете, когда герметизации было недостаточно? Или, может быть, есть какая-то техническая документация конкретной конструкции ракеты, когда обсуждался этот режим отказа? Проверьте комментарии выше - спасибо!
Резервуары должны быть как можно легче, если внутреннее давление позволяет нам построить более легкий резервуар, мы должны его использовать. Если резервуар был сконструирован так, чтобы использовать внутреннее давление для обеспечения стабильности, опасно использовать его при давлении, значительно ниже допустимого.
Необходима ли герметизация топливных баков для структурной целостности?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v