Schłodzony tlen

Dziś kilka zdań o tym jak SpaceX planuje chłodzić ciekły tlen i dlaczego to taki dobry pomysł. 

Zacznijmy od tego jakie zalety ma silnie schłodzony ciekły tlen. Jedną pewnie od razu możecie wymienić – większa gęstość. Czyli można zmieścić go wagowo więcej w zbiorniku o takiej samej objętości. Nie oznacza to że zbiornik da się użyć bez modyfikacji. Po pierwsze większa gęstość to większa masa utleniacza a to oznacza że zbiornik musi być do tego zaprojektowany. Po drugie niższa temperatura oznacza że może być niezbędna lepsza izolacja termiczna. Jednak w przypadku gdy rakieta ograniczona jest geometrycznie, schłodzony tlen to świetny pomysł. A Falcon 9 jest ograniczony geometrycznie – jego maksymalną średnicę ogranicza prześwit pod mostami na trasie Kalifornia-Texas-Floryda a maksymalną długość prawa fizyki (sztywność).

Drugą zaletą silnie schłodzonego tlenu jest ciśnienie jego par. Maleje ono wykładniczo wraz z malejącą temperaturą. A to oznacza że w zbiorniku w czasie lotu może być utrzymywane mniejsze ciśnienie. Czyli zbiornik może być bardziej delikatny, do utrzymywania ciśnienia potrzeba mniej helu itp.

Silnie schłodzony, ciekły tlen ma także jedną poważną wadę – nie można go za bardzo schłodzić – temperatura musi być na tyle wysoka by w czasie pompowania w silniku, kiedy to jego ciśnienie rośnie, nie nastąpiła przypadkiem przemiana fazowa i nie pojawiły się kryształki tlenowego lodu – takowe błyskawicznie by zniszczyły turbinę pompy. Dlatego program X-33 planował użycie ciekłego tlenu o temperaturze 67K. Punkt potrójny ciekłego tlenu występuje w temperaturze 54 K, więc 67K jest rozsądną wartością. Nie jest jasne jaką wartość zdecydował się przyjąć SpaceX, ale podejrzewam że będzie ona bliska tejże. Zresztą jak widać na rysunku na początku postu, nie ma czegoś takiego jak temperatura ciekłego tlenu w zbiorniku – jest jej gradient – tlen jest najzimniejszy na dole i najcieplejszy na górze zbiornika. Dlatego temperatura musi być na tyle wysoka, by pomimo większego ciśnienia ciekły tlen był nadal ciekły.

Jak X-33 chłodził tlen? Rozwiązanie było dość proste a jednocześnie bardzo ciekawe. Korzystano do tego celu z ciekłego azotu. Problem w tym że przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, azot wrze przy temperaturze 78K, więc nie za bardzo się nadaje do schładzania czegoś do 67K. Ale od czego są prawa fizyki – temperaturę wrzenia ciekłego azotu możemy obniżyć zmniejszając ciśnienie –  przy 1/10 ciśnienia atmosferycznego ciekły azot wrze przy 63K i świetnie się nadaje do schładzania tlenu (wrzenie wymaga sporych ilości energii).

W ten sposób jest właśnie rozwiązana instalacja chłodzenia ciekłego tlenu – jest on najpierw schładzany ciekłym azotem wrzącym pod normalnym ciśnieniem (co pozwala obniżyć temperaturę ciekłego tlenu do 78K) a następnie jest dalej schładzany w komorze w której ciekły azot wrze pod bardzo niskim ciśnieniem. Żeby to osiągnąć, trzeba zastosować wydajne pompy gazowego azotu będące w stanie wypompować wszystko co się zagotuje tak by ciśnienie w komorze było 0.1 ciśnienia atmosferycznego. 

Całość zużywa spore ilości ciekłego azotu, ale ten jest relatywnie tani. Trzeba tylko zbudować komin, którym azot będzie wypuszczany do atmosfery tak, by nie udusić nim pracowników. 

A żeby nie zmarnować takiego postu na nudną dla niektórych fizykę, to dwie ciekawostki ze świata SpaceX. Po pierwsze pojawiły się informację o tym jak skomplikowana jest wymiana tych felernych wsporników w zbiornikach. Wsporniki używane są zarówno w zbiorniku ciekłego tlenu jak i kerozyny. Dobranie się do tego pierwszego jest relatywnie łatwe – na szczycie pierwszego stopnia jest właz, podobnie z drugim stopniem. Jednak po drodze przeszkadza różnego rodzaju elektronika i rury, które trzeba najpierw zdemontować. Gorzej ze zbiornikami kerozyny – ich włazy są od spodu, od strony silników a to oznacza że żeby się do nich dostać, trzeba zdemontować silniki – zarówno w pierwszym jak i drugim stopniu. Do tego jak czytelnicy pamiętają z awarii Antaresa, nawet najmniejszy paproch w takim zbiorniku może się skończyć katastrofą, więc wymiana wsporników musi być wykonana w „clean room” + trzeba dokładnie sprawdzić czy przy ich demontażu nie powstały jakieś opiłki itp. Nie jest to proste zadanie – pierwsze i drugie stopnie, które były w Texasie muszą wrócić do Kalifornii. 

A druga ciekawostka to najnowsze plany SpaceX – żeby nadgonić opóźnienia, SpaceX planuje starty co dwa tygodnie. Już nie co trzy, ale co dwa! Oznaczało by to co najmniej 10 startów w tym roku. Ciekawe czy im się uda utrzymać takie tempo, czy wytrzyma to platforma i przede wszystkim czy wytrzymają to ludzie – nie tylko SpaceX, ale także (a może przede wszystkim) USAF…

Edycja – jeszcze taka ciekawostka jaką znalazłem przygotowując się do napisania tego postu. stały tlen pod pewnym (sporym) ciśnieniem przechodzi przemianę fazową, zmieniając kolor (z błękitnego na czerwony) i dramatycznie zwiększając gęstość. Oczywiście taki bardzo gęsty utleniacz powoduje spore zainteresowanie projektantów rakiet – możliwe że za jakiś czas zobaczymy rakiety napędzane czerwonym tlenem.