Luft- und Raumfahrt Dichtungslösungen für Weltraummissionen

Von Kingston Vickers

Das Management kryogener Flüssigkeiten ist die Grundlage für aktuelle und zukünftige Raumfahrtprogramme. Die Verfügbarkeit dieser Antriebsflüssigkeiten beim Start, in orbitalen Depots und auf der Mondoberfläche ist für zukünftige bemannte Erkundungsmissionen zum Mars unerlässlich. Die kryogenen Flüssigkeiten befinden sich in unter Druck stehenden Treibstofftanks und Treibstoff-Subsystemen. Die Aufrechterhaltung sicherer Betriebsdrücke dieser Treibstoffe ist kritisch und ein Überdruckereignis könnte zum katastrophalen Verlust eines Raumfahrzeugs führen. Ein weiteres Problem beim Umgang mit kryogenem Treibstoff ist ein Prozess, der "Boil-off" genannt wird. Boil-Off ist der Begriff für die Produktverluste aus kryogenen Treibstoffspeichersystemen bei Langzeit-Raumfahrtmissionen.

Bei handelsüblichen Berstscheiben reißt die Membrane, wenn sie einem Druck ausgesetzt wird, der ihren Grenzwert überschreitet. Dieses "zerbrechliche" Element hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit dieser Arten von Berstscheiben. Schockbelastungen, Vibrationen beim Start, Abbruchvorgänge, Boil-Off-Zyklen im Betrieb und die Forderung nach langfristigem Betrieb machen das Vertrauen auf eine dünne, einzelne Membran als Überdrucklösung bestenfalls etwas beunruhigend.

Unabhängig davon, ob es sich um Anwendungen auf der Erde, in der Atmosphäre oder im Weltraum handelt, müssen die Auswirkungen der Temperatur beim Überdruckschutz berücksichtigt werden. Komplikationen treten auf, wenn die spezifische Bersttemperatur für den herkömmlichen Berstscheibendruck angegeben wird.

Der Berstdruck von Berstscheiben hängt ausschließlich von der physikalischen Festigkeit der dünnen Membran ab. Bei diesen handelsüblichen Scheiben besteht die Gefahr, dass der angegebene Berstdruck stark variiert; bei niedrigeren Temperaturen ist der Berstdruck höher als der Nenndruck, bei höheren Temperaturen niedriger als der Nennberstdruck.

Um diese kritische Spezifikation zu vervollständigen, müssen die Konstrukteure nach bestem Wissen und Gewissen beurteilen, unter welchen Bedingungen die Gefahr eines Überdrucks am größten ist.

Dies kann in Fällen, in denen es zu unkontrollierten chemischen Reaktionen oder unerwarteten Bauteilausfällen kommt, äußerst schwierig vorherzusagen sein. (z. B. Ventile, Pumpen, Schalter usw.)

Zerbrechliche Scheiben schränken die Systemsicherheit ein und begrenzen die Wahl des Ortes, an dem die Scheibe im System platziert werden kann. Aufgrund ihrer thermischen Empfindlichkeit müssen zerbrechliche Konstruktionen sehr nahe an dem Ort platziert werden, an dem die erwarteten Störungsbedingungen auftreten. Jeder Standortversatz kann zu einer Wärmeübertragung führen und sich negativ auf den Berstdruck der Zerbrechlichkeit auswirken.

Es gibt Berichte, wonach ein Temperaturunterschied von 100° F bei herkömmlichen zerbrechlichen Konstruktionen zu einer Verschiebung des Berstdrucks um 20% führt.

Im Gegensatz dazu sind die fortschrittlichen SAFE-SHEAR™-Berstscheiben immun gegen viele kritische Anwendungsparameter, die herkömmliche/zerbrechliche Berstscheiben zerstören. Diese fortschrittlichen Berstscheiben können Millionen von Zyklen von Stößen, Vibrationen, Temperaturschwankungen und Schwappen bis zu einem Berstdruck von 95% standhalten. Unsere Berstscheiben ermöglichen es den Konstrukteuren von Tieftemperaturflüssigkeiten, die Konstruktion von Zylindern für hohe Drücke zu optimieren und so sicherzustellen, dass ausreichend Treibstoff und Oxidationsmittel zur Aktivierung der druckabhängigen Systeme vorhanden sind. Unsere fortschrittliche Berstscheibe ermöglicht dies und verhindert gleichzeitig Produktverluste. Unsere Leckageraten liegen bei weniger als 10-8 Standardkubikzentimeter pro Sekunde GHe. (sccs)