Hier gibt es verschiedene Faktoren.
1. Steigt die Temperatur soweit, das es Strukturänderungen im Material geben kann, bzw ist es Material, bei dem dies passieren kann?
Sie haben vieles auf Materialien geändert, bei denen Strukturänderung kein Thema sind und die nötige Temperatur ist viel höher als normale Umgebungstemperatur, also daher erstmal kein Problem.
2. Wie rasch und gleichmäßig erfolgen Temperaturänderungen?
erfolgen die Temperaturänderungen rasch und ungleichmäßig kann dies zu Verspannungen führen und Schäden hervorrufen. Allerdings werden die Teile erst gekühlt und dann von Kalten Flüssigkeiten durchströmt, siehe als Beispiel den Chill Down der Triebwerke. Gewisse Unterscheide über eine gewisse Entfernung im Material sind in Ordnung, also man muss nicht davon ausgehen, das die Rakete die exakt gleiche Temperatur überall haben muss, aber die Sprünge von Bereichen ganz nah beieinander sollte möglichst nicht zu groß sein.
3. Welche Eigenschaften haben die Dichtungen?
Ja, elastische Materialien werden bei kalten Temperaturen weniger Elastisch, dies heißt aber nicht zwangsweise Steif, wenn man diese geringere Elastizität mit einkalkuliert ist das vollkommen in Ordnung.
4. Kann Metall bei kalten Temperaturen brüchiger werden?
Grundsätzlich Ja. Hier hängt es aber auch wieder von der Metallart und der Belastung ab. Das klassische Beispiel, das man etwas Stahl bei Unterkühlung einfach mit einem Hammer Zerschlagen kann ist beeindruckend aber irrelevant. Vieles dieser Porosität kann man schon durch die Metallwahl beeinflussen. Aber vor allem ist ein Hammer schon extrem, und den würde ich zu keinem Zeitpunkt gegen eine Rakete schlagen. Die ist Dünnhäutiger als man oft erstmal denkt. Da will man keine Delle drin haben.
--> Kann es Probleme geben? Ja
--> Kann man Probleme verhindern oder Minimieren? Ja.
Grüße aus dem Schnee
Ich nehme mal die Fragen von Schneefüchsin auf:
Grundsätzlich gehört der Betankungsvorgang zum normalen Betrieb der Rakete, ist also etwas für den sie ausgelegt sein muss. Da sollte SpaceX aus Erfahrung wissen was nötig ist und welche Effekte berücksichtigt werden müssen. Die Anzahl der möglichen Betankungen vor dem Start ist aber begrenzt, aus verscheidenen Effekten die zu Alterungen führen können
1. Steigt die Temperatur soweit, das es Strukturänderungen im Material geben kann, bzw ist es Material, bei dem dies passieren kann?
Natürlich nicht, denn der Treibstoff ist ja kälter als Umgebungstemperatur (LOX ~90 K, für subcooling vieleicht runter bis 80 K; Kerosin etwa Raumtemperatur).
Daraus folgt natürlich die Frage:
1b. Sinkt die Temperatur soweit, das es Strukturänderungen im Material geben kann, bzw ist es Material, bei dem dies passieren kann?
Da man ja vorher wusste welche Tieftemperaturen erreicht werden sollen ist das Material dafür ausgesucht. Daß sollte kein Problem sein. Materialien die das nicht können werden nicht eigesetzt (hoffentlich
). Genauso ist Aluminium zusammen mit Sauerstoff eigentlich verboten, für Aluminium-Tanks muss sichergestellt werden daß die Strömungsgeschwindigkeiten des LOX sehr gering bleiben. Daher geht Alu nicht für Leitungen.
2. Wie rasch und gleichmäßig erfolgen Temperaturänderungen?
Das Problem sind Thermalspannungen aufgrund von Temperaturgradienten, also drastische Temperaturänderungen auf kurze Distanz im Material. Sowas kann z.B. eine Tankwand sein die sehr rasch von innen abgekühlt wird. Dann ist sie innen sofort kalt und außen noch warm, das erzeugt solche Termalspannungen. Wenn diese zu groß werden kann sich die ganze Struktur verformen. Wenn die Verformungen zu plastischen Dehnungen im Material führen ist die Anzahl solcher Temperaturzyklen mit solchen Spannungen begrenzt, da die Verformung mit jedem Zyklus zunimmt bis irgendwo die verbleibende Wandstärke zu gering wird o.ä. Man kann aber sowas gut mit Finite-Elemente-Verfahren vorausrechnen, dazu muss das Material ausreichend charakterisiert sein (Spannungs-Dehnung Kurven für den fraglichen Temperaturbereich, Ermüdungskurven (Wöhlerkurven)). Ein zusätzliches Problem ist der sogenannte Rissfortschritt, wenn sich anfänglich vorhandene kleine Risse (z.B. aus der Fertigung) mit solchen Zyklen immer weiter vergrößern, dann ist irgendwann eine nicht mehr akzeptable Größe erreicht.
Daher gibt es Verfahren um die Abkühlgeschwindigkeit zu begrenzen. So kann man den LOX-Tank zunächst mit GOX vorkühlen.
3. Welche Eigenschaften haben die Dichtungen?
Für kryogene Temperaturen nimmt man metallische Dichtungen, die können das. Für die gilt im Prinzip auch das oben gesagte.
4. Kann Metall bei kalten Temperaturen brüchiger werden?
Siehe Frage 1b. Bei richtigere Materialwahl kein Problem.
Bei H2 (in FH nicht vorhanden) kann es bei gewissen Materialien zu H2-Versprödung führen. Dieser Effekt ist sehr vom Material und von den Betriebsbedingungne abhängig und nicht immer gut bekannt. Das grenzt dann die Materialwahl weiter ein.
