Предварительное смешивание криогенного топлива и использование только одного топливного бака

При ответе на аналогичный вопрос на Chemistry SE кажется, что идея смешивания жидкого кислорода и жидкого метана устарела. И тот, который, используя некоторые из приведенных выше ответов, кажется скрытым, по крайней мере, некоторой гиперболой.

Актуальным является RL Every и JO Thieme, Journal of Spacecraft and Rockets 2(5) 787-789 (1965), озаглавленный «Смеси жидкого кислорода и жидкого метана в качестве ракетного монотоплива». Во введении авторы отмечают, что предыдущая работа показывает, что жидкости смешиваются во всех соотношениях выше 90К. Их тесты показывают удельный импульс почти 300 секунд и скорость истечения около 6000 футов в секунду.

Кроме того, поскольку в более ранней работе сообщалось о «чувствительности к удару», они провели несколько, ну, смутно тревожных экспериментов (эй, это были 60-е). «Были проведены испытания, чтобы определить, приведет ли к детонации смеси сильное перемешивание или взбалтывание, как в крыльчатом насосе», хотя взрывов там не было. Затем они перешли к количественной оценке чувствительности к удару, бросая груз на химический стакан из нержавеющей стали с различными жидкими смесями с увеличивающейся высоты, пока не произошел взрыв. Была обнаружена чувствительность к удару 20-60 ft-lb (эти эксперименты проводились с открытыми стаканами криогенных жидкостей, при освещении их комнатным светом - отсюда и преувеличение).

Так что, похоже, идея использовать жидкую смесь в качестве монотоплива не совсем уж абсурдна, но, пожалуйста, сделайте это где-нибудь подальше от меня...

Цитируя великую книгу Джона Д. Кларка «Зажигание!» (Глава 11: Обнадеживающие монореквизиты):

Если смеси Танненбаума были плохими, то предложения, предложенного на конференции по монотопливу в октябре 1957 года оптимистом из Air Products, Inc., было достаточно, чтобы поднять волосы на голову любому, кто занимается ракетным топливом. Он предположил, что смесь жидкого кислорода и жидкого метана может быть сверхвысокоэнергетическим монотопливом, и даже разработал фазовые диаграммы системы*. Как он избежал самоубийства (первое правило обращения с жидким кислородом: никогда не позволяйте ей соприкасаться с потенциальным топливом) — интересный вопрос, в частности, как позже JPL продемонстрировала, что вы можете заставить смесь взорваться, просто посветив на нее ярким светом. Тем не менее, десять лет спустя я прочитал статью, в которой серьезно предлагалось кислородно-метановое монотопливо! Очевидно, у младших инженеров аллергия на историю собственного бизнеса.

В дополнение к тому, что сказал другой ответ, потребуется очень небольшая провокация, чтобы такая ситуация превратилась в хороший способ проверить взрывостойкость близлежащих объектов.

На СТП :

• Температура кипения LOX составляет 90,19 К.
• Температура замерзания метана 90,7 К.

Это не доказывает априори , что решение двух не может существовать. Однако это означает, что с ними нельзя обращаться как с жидкостями при одинаковой температуре, что затрудняет их смешивание.

И поэтому я только что спросил, может ли стехиометрическая смесь кислорода и метана существовать в виде жидкости при нормальном давлении и некоторой (низкой) температуре?

Мы знаем, что существует жидкий воздух , что показывает, что LOX и LN2 могут смешиваться друг с другом. Но метан — это органические молекулы, а мы знаем, что тяжелее$\text{C}_n \text{H}_{2n+2}$углеводороды включают масла и воски, которые не растворяются в неорганических растворителях.

Аргументом против предварительного смешивания является опасность воспламенения из-за искры или незначительного локализованного выделения тепла. Как упоминают @Tristan и @PearsonArtPhoto 1 , 2 , взрыв SpaceX «быстрый пожар» произошел из-за наличия горючего материала в прямом контакте с LOX и локализованным источником механического производства тепла. Посмотрите этот ответ и обратите внимание, что ситуация подробно обсуждается в видео Скотта Мэнли « Самые глупые ошибки в исследовании космоса».

Также посмотрите видео ниже, более подробно обсуждаемое в разделе « Почему оболочка из углеродного волокна в LOX не загорается?» (смотрите сначала это видео)

На химико-физический вопрос о том, может ли существовать такая смесь: Да, может.

Этому посвящен отчет НАСА: «О РАСТВОРИМОСТИ И СКОРОСТИ РАСТВОРЕНИЯ ГАЗОВ В ЖИДКОМ МЕТАНЕ», Хиббард и Эванс, 1968 г. , и делается вывод, что такие смеси возможны.

Начиная со страницы 8:

На рис. 5(а) представлены кривые для кислорода, аргона, окиси углерода и азота. Также показаны два экспериментальных значения для азота. Согласие отличное на 99,83К и хорошее на 110,9К. Кривые для этих газов показывают, что растворимость должна уменьшаться с повышением температуры, и данные по азоту подтверждают это. На этом рисунке показано, что растворимость молярной доли кислорода равна 1,0 при 90K. Это означает, что кислород, нормальная температура кипения которого составляет 90,1 К, будет непрерывно конденсироваться и смешиваться во всех пропорциях с жидким метаном при 90 К. Это подтверждается ссылкой 11, где при исследовании растворимости метана в жидком кислороде был сделан вывод, что они образуют почти идеальный раствор при -297 F (90K).

(выделение добавлено)

Рис. 5 воспроизводится ниже. Обратите внимание, как быстро растет растворимость кислорода при понижении температуры.

Ссылка 11, упомянутая там , "Solubility Hydrocarbon-Oxygen Systems", McKinley and Wang, 1960 (к сожалению, платная), в которой также есть интересное обсуждение стабильности (т.е. наличие или отсутствие тенденции к взрыву) различных смесей. В восхитительно спокойных выражениях это объясняет, почему такие смеси обычно не используются: «Состав, изображенный в точке А (в основном один компонент), безопасен, тогда как состав в точке В (т.е. ракетное топливо) может взорваться».

Они будут расслаиваться.

Жидкий кислород намного плотнее жидкого водорода : 1,141 г/см3 для LOX против 0,07099 г/см3 для LH.

Таким образом, необходимо установить оборудование, обеспечивающее правильное смешивание двух жидкостей. Это не только усложняет и без того сложное оборудование, но и увеличивает его вес.

Считается, что для статического огневого испытания AMOS-6 кислород и топливо RP1 объединились вместе из-за отказавшей переборки. Даже меньшая часть топлива в окислителе может вызвать взрыв, достаточный для того, чтобы все начало двигаться, часть реакции была с углеродной оболочкой и кислородом, у которого была небольшая искра и начался более крупный взрыв. В предложенном вами условии требуется только небольшая искра, чтобы вызвать большой взрыв, как показано на видео ниже.

Смешивать топливо и окислитель плохо, даже малейшая искра заставит все это сгореть. Плюс много чего можно сделать, чтобы оптимизировать расход для разных условий, течет больше окислителя или топлива для тех или иных условий.