Mond-Außenposten

SPACE | Cryogenic Fluid SAFE-SHEAR™ Berstscheiben

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.

Im Gegensatz dazu sind die fortschrittlichen SAFE-SHEAR™-Berstscheibendesigns immun gegen viele kritische Anwendungsparameter, die herkömmliche/zerbrechliche Berstscheiben zerstören. Diese fortschrittlichen Berstscheiben können Millionen von Zyklen von Stößen, Vibrationen, thermischen Zyklen und Schwappen bis zu einem Berstdruck von 95% standhalten. Unsere Berstscheiben ermöglichen es den Konstrukteuren von Kryo-Flüssigkeiten, die Konstruktion von Zylindern für hohe Drücke zu optimieren und so sicherzustellen, dass ausreichend Treibstoff und Oxidationsmittel zur Verfügung stehen, um druckabhängige Systeme zu aktivieren. Unsere fortschrittliche Berstscheibe erreicht dies und verhindert gleichzeitig Produktverluste. Unsere Leckageraten liegen bei weniger als 10-8 Standard-Kubikzentimeter pro Sekunde GHe. (sccs)

Die erhöhte Sicherheitsfunktion und der Leckageschutz werden durch seine Funktionsweise ermöglicht. Wenn der Innendruck der Flüssigkeit oder des Gases den vorbestimmten (und kalibrierten) Differenzdruck erreicht, kehrt sich eine präzise abgestimmte Tellerfeder um und drückt die Membrane in einen gezackten Stempel, wodurch der Systemdruck entlastet wird. Dieser Funktionsmechanismus ermöglicht fortschrittlichen Berstscheiben eine bemerkenswerte Berstpräzision. Unsere SAFE-SHEAR™-Berstscheibe kann auf ±1% Berstdrücke von 1 bis 10.000 psi (0,007 bis 690 bar) eingestellt werden und bietet Toleranzen bei Temperaturen von -457 bis 1.000°F (- 270 bis 540°C).

Animierte Berstscheibe

Sobald der Stempel die Membrane durchstößt, lässt die Berstscheibe schnell den gesamten Druck ab. Zur Vermeidung von Verlusten bei Anwendungen mit Mindestdruck-Betriebsanforderungen oder wenn das System abgelegen ist und nicht wieder aufgeladen werden kann, können wir Druckentlastungsventile in die Berstscheibe integrieren. Unsere Überdruckventile verhindern den Verlust des gesamten Produktdrucks und ermöglichen somit den Weiterbetrieb von druckabhängigen Komponenten. Unsere Berstscheiben-/Entlastungsventil-Komponenten bieten eine Gewichtseinsparung von bis zu 80% im Vergleich zu anderen redundanten Systemen.

Die NASA betrachtet unsere Art von fortschrittlicher Scheibe als gleichwertig mit zwei Entlastungsventilen, so dass ein einziges die NASA-Anforderung nach zwei fehlertoleranten Ventilen erfüllt (vgl. NASA-Nutzlastsicherheitsanforderung NHB 1700.7; NASA-JSC NSTS/ISS 18798; JCS Letter TA-88-074). - – "Das bevorzugte Berstscheibendesign für Nutzlasten ist eines, das eine Umkehrmembran gegen eine Schneidkante einsetzt, um einen Bruch zu gewährleisten. Historische Verwendung und Erfahrung zeigen, dass eine Berstscheibe dieses Typs als äußerst zuverlässige Druckentlastungsvorrichtung zertifiziert werden kann."

Weltraumgestützte Anwendungen von Berstscheiben erfordern Materiallösungen, die aggressiven Raketentreibstoffen, Oxidationsmitteln und anderen aggressiven Flüssigkeiten standhalten. Zu den Konstruktionsmaterialien können Aluminium, Edelstahl, Superlegierungen und PTFE gehören.

Neben unseren Anwendungen für die bemannte Raumfahrt, einschließlich der Internationalen Raumstation und der Orion, gibt es weitere Raumfahrzeuge, Satelliten und Flugzeuge, die unsere SAFE-SHEAR™-Technologie nutzen:

  • RRM3 Orbitaler BetankungseinsatzAstronaut mit Daumen hoch und Satellit mit K-Port-Dichtung
  • Die Raumsonde Cassini
  • Das Hubble-Weltraumteleskop
  • Das Spitzer-Teleskop
  • Wide-Field Infrared Survey Explorer
  • Mars Global Surveyor
  • Schwerkraft-Sonde-B
  • V-22 Osprey / KC-390