Приветствую вас!
Большинство компонентов ракетного топлива, такие как водород, метан и жидкий кислород, являются криогенными - то есть очень сильно охлажденными и сжиженными газами. Они хранятся при отрицательных температурах, но их хранение представляет собой значительную проблему.
В большинстве ракет-носителей в качестве основного топлива используют керосин. Его высокая плотность и способность храниться при комнатной температуре, делают его предпочтительным видом топлива.
Жидкий водород используемый в верхних ступенях некоторых ракет-носителей, жидкий метан, а также окислитель в виде жидкого кислорода, являются криогенными веществами. Это означает, что для их хранения в жидком состоянии их необходимо очень сильно охладить. Например, жидкий водород, необходимо охлаждать до температур ниже -253° по Цельсию, а жидкий кислород, необходимо охлаждать до -183° по Цельсию.
Даже жидкий метан — топливо, которое используется в космической системе "Старшип" от компании SpaceX, ракете-носителе Vulkan от компании United Launch Alliance (ULA) и ракете New Glenn от компании Blue Origin, — необходимо хранить при температуре ниже -162° по Цельсию.
Поддержание этих газов в холодном и жидком состоянии является серьезной проблемой во время запуска. Для поддержания их криогенной температуры во время хранения на стартовой площадке, перед заправкой ракеты, и во время старта в ракете-носителе - используются различные методы.
В отличие от самой ракеты-носителя, куда топливо закачивается всего за несколько минут или несколько часов до запуска, топливо, хранящееся на самой стартовой площадке, может храниться в течение нескольких недель до фактической даты запуска.
Это означает, что необходимо использовать специально разработанные резервуары для хранения, чтобы поддерживать газы в холодном состоянии без необходимости использования постоянного охлаждения.
Постоянный сброс или выкипание газа, испаряющегося по мере нагрева криогенной жидкости, невозможны, поскольку топливо должно оставаться внутри баков в течение нескольких дней или дольше, а постоянная замена потерянного топлива будет чрезвычайно дорогой и трудоемкой процедурой. Поэтому резервуар для хранения должен поддерживать криогенное топливо в жидком состоянии и ограничивать накопление тепла, особенно от внешних источников. Это ограничит испарение, нарастание давления и частую вентиляцию резервуаров для хранения.
Резервуар для хранения компонентов криогенного топлива, расположенный на стартовой площадке, состоит из двухстенной, как правило сферической, стальной конструкции. Внутренняя стенка бака действует как сосуд, в нем содержатся компоненты криогенного топлива, в то время как внешняя стенка резервуара защищает внутреннюю стенку от прямого теплового воздействия. Чтобы предотвратить передачу тепла, от внешней стенки резервуара,к внутренней стенке, в пространстве между ними создается вакуум.
Но при таком подходе, тепло все равно может достигать внутренней стенки резервуара посредством процесса называемого лучистым теплообменом. Чтобы этого не произошло, пространство между двумя стенками заполняется изоляционным материалом. Обычно таким теплоизолятором служит перлит.
Космическое агентство НАСА усовершенствовало теплоизоляцию в одном из своих резервуаров для хранения жидкого водорода, на стартовом комплексе 39B Космического центра Кеннеди, заменив перлит специальными стеклянными пузырьками, что привело к снижению испарения на 48%.
При использовании новых технологий при строительстве криогенных резервуаров некоторый нагрев, а также вызванное им повышение давления и сброс газа все равно будут иметь место, но скорость испарения существенно снижена до уровня всего лишь около 0,03% в день.
К сожалению, размещение тяжелых стальных баков с двойными стенками внутри ракеты-носителя просто невозможно, поскольку их масса сама по себе сделает ее запуск практически невыполнимым.
Поэтому фактом является то, что некоторое испарение и потеря компонентов криогенного топлива произойдет в любом случае, как только они попадут в баки ракеты. Это одна из причин, по которой заправка ракеты откладывается на последний момент, иногда за несколько минут до запуска.
Как только криогенное топливо закачивается в баки ракеты, оно начинает нагреваться и испаряться, или попросту говоря «выкипать». Чтобы предотвратить опасное повышение давления, которое может привести к разрыву баков, выкипевший газ выпускается в атмосферу. В результате этого явления топливо приходится постоянно пополнять. Также следует отметить, что процесс выкипания имеет свои плюсы, так как оно оказывает охлаждающее воздействие на жидкие компоненты.
Однако это не означает, что криогенные топливные баки ракеты не защищены от проникновения тепла. Внешние водородные баки некоторых ракет, например ракеты SLS покрыты изоляционной пеной, которая распыляется на внешнюю поверхность бака. Оранжевая пена не только помогает защитить топливо от внешних источников тепла на стартовой площадке, но и от тепла, выделяемого трением при полете ракеты через плотные слои атмосферы.
Другой эффективный вид теплоизоляции - это пробка. Она используется вместо пены для защиты двигательной секции ракеты SLS. Она также используется под твердотопливными ускорителями ракеты-носителя.
Большинство топливных баков, используемых в ракетах-носителях, покрыты изоляционным материалом, нанесенным на их внешнюю, а иногда и на внутреннюю поверхность, для их защиты от внешних источников тепла.
Поскольку большинство орбитальных запусков осуществляется из регионов, близких к экватору, где обычно наблюдаются высокие температуры в течение всего года, использование белого цвета в качестве преобладающего цвета на внешней поверхности ракеты является еще одним эффективным способом сохранения компонентов топлива в холодном состоянии.
Из всех цветов видимого спектра белый цвет наиболее эффективно отражает солнечное излучение от поверхности ракеты, а не поглощает его.
Когда ракета-носитель достигает космоса, ей все равно требуется защита от тепла. Хотя температура в вакууме космоса падает до -270° по Цельсию, верхние ступени ракет все равно испытывают нагрев, от излучения солнца. В результате верхние ступени некоторых ракет, используют помимо других видов теплоизоляции радиационную защиту.
Эффективно защищая топливные баки от излучения солнца в космосе, топливо может оставаться холодным гораздо дольше и требует гораздо меньшей вентиляции, что экономит топливо и позволяет космическому аппарату работать в космосе в течение длительного времени.
Хотя криогенные компоненты ракетного топлива крайне опасны в обращении, и их крайне трудно поддерживать в холодном состоянии, особенно в течение длительных периодов времени без какого-либо активного охлаждения, однако, допуская некоторую потерю топлива из-за испарения и вентиляции, а также применяя широкий спектр различных методов для его охлаждения - как на стартовой площадке, так и на самой ракете, криогенное топливо можно сохранять холодным в течение длительных периодов времени.