Karmienie Bestii:
System dystrybucji paliwa
w Super Heavy

Super Heavy to bardzo złożony pojazd, pod którym znajdują się 33 silniki Raptor. O ile na zdjęciach z zewnątrz wygląda on bardzo efektownie, to dopiero w środku zaczyna się robić naprawdę niesamowicie. Dziś przyjrzyjmy się bliżej systemowi dystrybucji paliwa wewnątrz Super Heavy, w tym drugorzędnemu zbiornikowi do lądowania, i rozbierzemy na części pierwsze to, co o nich wiemy.

Wszystkie rendery w tym artykule, jak i sam artykuł, zostały stworzone przez niesamowitą ekipę Ringwatchers. Autorstwo zdjęć zostało każdorazowo wskazane przy danym zdjęciu. Jeśli spodoba Ci się tłumaczenie, rozważ wsparcie mojej działalności poprzez dokonanie zakupu w nowootwartym sklepie X Polska

Podstawy

Jeśli jeszcze nie wiecie, 33 silniki Raptor Super Heavy są zasilane kriogenicznym ciekłym metanem (CH₄) i ciekłym tlenem (O₂), które są odpowiednio paliwem i utleniaczem.

Super Heavy posiada również zbiornik " do lądowania" z ciekłym tlenem, zwany również zbiornikiem "czołowym", który jest mniejszym, odizolowanym zbiornikiem używanym podczas lądowania. Ten mniejszy zbiornik jest podłączony tylko do środkowych 13 silników Raptor i ogranicza efekty, które mogłyby zostać wywołane przez przemieszczanie się paliwa w znacznie większym zbiorniku głównym.

Mając to na uwadze, można przystąpić do omówienia każdej części tego systemu, zaczynając od dołu, a następnie kierując się na zewnątrz.

Gródź rufowa zbiornika ciekłego tlenu

Zaczynając od samego dołu Super Heavy, widzimy kopułę rufową, która ma łącznie 66 otworów zasilających zarówno ciekły metan, jak i ciekły tlen do różnych pierścieni silników Raptor. W Super Heavy silniki są rozmieszczone w układzie pierścieni po 20, 10 i 3 silniki, przechodząc od zewnątrz do wnętrza.

Na krawędzi kopuły znajduje się 40 otworów, które doprowadzają paliwo i utleniacz do pierścienia 20 silników. Są one rozmieszczone w 20 parach, z większym otworem na ciekły tlen i mniejszym otworem na ciekły metan.

Dodatkowe 26 otworów doprowadzających znajduje się na płaskiej płycie pośrodku kopuły, która często nazywana jest płytą oporową lub pokrywą rufową. Dostarczają one paliwo i utleniacz do 13 wewnętrznych silników Raptor.

Doprowadzanie ciekłego tlenu do 20 silników

Zewnętrzne 20 silników Super Heavy przeprowadza tylko jedno spalanie w locie, a zatem wystarczy, że będą one w stanie pobierać paliwo wyłącznie z głównych zbiorników. Dlatego też otwory w kopule są miejscem, w którym paliwo przepływa do silników.

Z otworów tych wystają zespoły zaworów, o których więcej na końcu artykułu.

Rury biegną po zewnętrznej stronie kopuły, aby połączyć się z silnikami, które znajdują się pod nią. Podobne rozwiązanie zastosowano w przypadku zasilania ciekłym metanem, ale o tym później.

Poniższy render pokazuje 20 zaworów i rur na zewnątrz kopuły, które służą do zasilania 20 zewnętrznych silników.

Konstrukcja płyty oporowej

Na płycie oporowej, która jest zasadniczo płaskim dyskiem mieszczącym mocowania dla 13 centralnych silników Raptor, dodatkowa konstrukcja jest umieszczana na wewnętrznej jej powierzchni przed instalacją w grodzi.

Ta stalowa, 20-stronna konstrukcja ma liczne szczeliny, przez które przechodzą krytyczne przewody hydrauliczne, a także prawdopodobnie zapewnia dodatkową stabilność.

Kolektor dystrybucji ciekłego metanu

Pośrodku tej konstrukcji znajduje się sekcja cylindryczna z 34 otworami. Otwory w tej cylindrycznej części są rozmieszczone w układzie 20-10-3+1, od góry do dołu. Wszystkie otwory są rozmieszczone w równych odstępach, z wyjątkiem czwartego "dodatkowego" otworu w dolnym rzędzie.

Górne 30 otworów doprowadza ciekły metan do pierścienia odpowiednio 20 i 10 silników, a jeden z dolnych otworów służy do podłączenia rury napełniającej/spustowej z szybkozłącza.

Pozostałe trzy otwory w dolnym rzędzie przeznaczone są dla części systemu dystrybucji ciekłego tlenu, więc na razie je zignorujemy.

Rura napełniająca/spustowa to rura biegnąca bezpośrednio od panelu szybkozłącza do jednego z dolnych otworów w kolektorze ciekłego metanu.

Gdy paliwo zacznie napływać, wypełni ono cały Booster od dołu do góry, zaczynając od zalania instalacji rozprowadzającej paliwo i powoli kierując się w górę rury spustowej do głównego zbiornika.

Ponieważ kolektor znajduje się pośrodku Boostera, znajduje się on bezpośrednio nad środkowymi 3 silnikami Raptor, a zatem nie ma potrzeby instalowania rur łączących kolektor z tymi silnikami.

Z tego kolektora, 10 rur, z dwoma zgięciami w każdej, jest zamontowanych na pierścieniu 10 otworów. Łączą się one bezpośrednio z otworami w płycie oporowej, które zasilają pierścień 10 silników.

Analogicznie, 20 rur rozchodzi się z pierścienia 20 otworów i łączy się bezpośrednio z otworami w kopule, które prowadzą do pierścienia 20 silników. Jak omówiono wcześniej w przypadku zasilania ciekłym tlenem dla pierścienia 20 silników, kopuła znajduje się powyżej miejsca, w którym faktycznie znajdują się silniki, a zatem rury biegną dalej na zewnątrz kopuły, w dół do silników.

Mając na uwadze powyższe informacje, na potrzeby poniższej wizualizacji, przewody zasilające dla 20 silników są zaznaczone na różowo, przewody zasilające dla 10 silników na żółto, a rura napełniająca/spustowa na czerwono.

Dodatkowo, na górze pierścienia kolektora zainstalowany jest duży element w kształcie wycinka wielościennego ostrosłupa (ang. frustum), który rozszerza się na zewnątrz, aby docelowo pomieścić zbiornik ciekłego tlenu do lądowania.

Element ten ma zamontowane duże zewnętrzne podłużnice, które biegną dalej do samego kolektora.

Zasilanie ciekłym tlenem dla 13 silników

Patrząc na pierścień 10 silników, nad każdym z nich znajdują się połączenia w kształcie litery Y (Y-split). Są one ważne, ponieważ pozwalają Super Heavy przełączać się między zbiornikiem głównym a zbiornikiem do lądowania w celu dostarczania ciekłego tlenu.

Rura skierowana pionowo to zasilanie ze zbiornika ciekłego tlenu do lądowania, do którego ostatecznie zostaną podłączone pozostałe orurowanie. Rura skierowana ukośnie to zasilanie ze zbiornika głównego ciekłego tlenu i nie będą do niej podłączone żadne dodatkowe rury. Ważne jest, aby przewody zasilające znajdowały się blisko dna zbiornika, zapewniając możliwość wykorzystania jak największej ilości paliwa.

W przypadku trzech środkowych silników Raptor zastosowano podobną strukturę Y-split, ale łączy się ona nieco inaczej, ponieważ znajduje się pod kolektorem ciekłego metanu.

Pionowe rury są takie same i skierowane bezpośrednio w górę, aby ostatecznie zostać podłączone do zbiornika ciekłego tlenu do lądowania. W przeciwieństwie do pierścienia 10 silników, te będą podłączane bezpośrednio do dna zbiornika, ale o tym za chwilę.

W przypadku zasilania głównego zbiornika rura oddziela się i biegnie dalej pod trójkątną konstrukcją usztywniającą wewnątrz kolektora ciekłego metanu. Wychodzą one z kolektora przez trzy niewykorzystane otwory w dolnym rzędzie otworów, o których mówiliśmy wcześniej.

Nie jest jasne, jak dokładnie wygląda rura po wyjściu, ponieważ mamy tylko jedno zdjęcie tej sekcji, ale zakłada się, że po prostu pobiera ona paliwo z tej pozycji.

Poniższy render pokazuje, jak naszym zdaniem wygląda to rozwiązanie, ze względu na brak zdjęć, z pewnymi spekulacyjnymi elementami związanymi z zagięciami rur i rozmieszczeniem osprzętowania.

Podstawa rury spustowej ciekłego metanu

Bezpośrednio nad tymi dopływami i wewnątrz kolektora ciekłego metanu znajduje się podstawa rury spustowej ciekłego metanu (lub rury przesyłowej). Aczkolwiek, technicznie rzecz biorąc, jest ona zainstalowana jako część zespołu zbiornika do lądowania.

Przechodzi ona przez środek zbiornika ciekłego tlenu do lądowania, co oznacza, że jest to swego rodzaju zbiornik wewnątrz zbiornika wewnątrz zbiornika.

Ten element rury spustowej jest dość niesławny, ponieważ implodował podczas kriogenicznego testu ciśnieniowego Super Heavy 7 w dniu 14 kwietnia 2022 roku. Po tym teście projekt został zmodyfikowany tak, aby usztywnienia obręczy były znacznie większe i liczniejsze.

Odkładając to na bok, możemy zobaczyć element na dole, który rozszerza się na zewnątrz, który SpaceX określa jako "krążek hokejowy". Pośrodku znajduje się duży otwór, który umożliwia opróżnianie ciekłego metanu z rury spustowej do misy ciekłego metanu.

Dodatkowe trzy mniejsze otwory znajdują się na zewnątrz właściwej rury spustowej. Te mniejsze otwory będą ostatecznie, po zamontowaniu, mieściły dopływy do zbiornika ciekłego tlenu do lądowania dla środkowych 3 silników Raptor.

Patrząc na złomowaną sekcję rufową Boostera, możemy zobaczyć "krążek hokejowy" znajdujący się bezpośrednio pośrodku. Warto zaznaczyć, że kopuła rufowego zbiornika do lądowania jest obecna na tym zdjęciu, co normalnie nie miałoby miejsca.

Na poniższym renderze można zobaczyć, jak podstawa rury spustowej łączy się z komponentami Boostera.

Zbiornik ciekłego tlenu do lądowania

Zbiornik ciekłego tlenu do lądowania to zbiornik o szerokości 3 metrów, który znajduje się wewnątrz wspomnianej wcześniej sekcji "frustum" na górze kolektora ciekłego metanu.

Zbiornik ten otacza rurę spustową ciekłego metanu, a na poniższym zdjęciu widać, jak rura ta przechodzi przez środek zbiornika.

W praktyce zbiornik ten jest montowany wraz z podstawą rury spustowej ciekłego metanu przed zamontowaniem jej w sekcji rufowej Boostera, jednak wcześniej, na potrzeby tego artykułu, pokazaliśmy jak wygląda ona samodzielnie, bez zamontowanego wokół niej zbiornika.

Na górze i na dole zbiornika znajdują się otwory, przez które przechodzi rura spustowa ciekłego metanu, a po całkowitym osadzeniu łączy się on z, wspominaną wcześniej, rozszerzoną sekcją znajdującą się u jej podstawy, łącząc ostatecznie dopływy do trzech środkowych silników Raptor z właściwym zbiornikiem do lądowania.

W przeszłości mieliśmy okazję zobaczyć kompletny układ poza Boosterem, gdy SpaceX wyprodukowało testowy zbiornik, który został poddany testom na początku 2022 roku w zakładzie SpaceX w McGregor. 

Z boku tego zbiornika instalowanych jest 10 rur z 90-stopniowym zagięciem, które łączą się z pionową rurą na wspomnianych wcześniej Y-splitach, doprowadzając ciekły tlen do pierścienia 10 silników. Oznacza to, że po tym etapie montażu do zbiornika ciekłego tlenu do lądowania podłączonych jest łącznie 13 Raptorów.

Poniższy render pokazuje, jak wygląda to po całkowitym złożeniu. Należy zauważyć, że dwa z dopływów zasilających dla środkowych 10 silników zostały na tej grafice usunięte, aby możliwe było ukazanie wycięcia w ścianę zbiornika, przez które widać rurę spustową.

Misa na ciekły metan

Po całkowitym zmontowaniu, obszar kolektora ciekłego metanu został teraz przekształcony w zamkniętą misę pod zbiornikiem ciekłego tlenu do lądowania, która pozwoli paliwu z rury spustowej wypełnić ten obszar i wydostać się przez 33 otwory.

Poniższe zdjęcie pokazuje, jak wygląda zamknięta misa z zewnątrz, po usunięciu innych otaczających ją elementów.

Poniższy render pokazuje, jak wygląda misa po zainstalowaniu zbiornika na ciekły tlen do lądowania, z rufową kopułą zbiornika działającą jako wspólna gródź. Należy zauważyć, że część ściany misy została na tej grafice usunięta, aby możliwe było ukazanie wnętrza misy (zaznaczone na złoty kolor).

Rura spustowa ciekłego metanu

Podczas gdy podstawowa część rury spustowej jest instalowana wraz ze zbiornikiem na ciekły tlen do lądowania, pozostała jej część jest montowana na znacznie późniejszym etapie. Gigantyczna rura, którą widać na poniższym zdjęciu, łączy zbiornik ciekłego metanu na szczycie Boostera z systemem dystrybucji paliwa i znajduje się wewnątrz wspólnej kopuły, położonej mniej więcej w połowie wysokości Boostera.

Główne zawory paliwa

Prócz rur do przepływu paliwa, należy także mieć sposób na zatrzymanie tego przepływu przez określone z nich. Nasza wiedza na temat konstrukcji Boostera pozwala nam sądzić, że w sekcji rufowej Super Heavy znajduje się około 79 głównych zaworów przepływu paliwa.

Zawory używane w Starshipie są dość ukryte i naprawdę robią wrażenie, gdy się o nich pomyśli. Zawory te muszą działać w warunkach kriogenicznych i atmosferycznych, co może być trudnym zadaniem.

Z naszego rozeznania wynika, że w Boosterze znajduje się:
40 zaworów dla 20 zewnętrznych silników Raptor
20 do zasilania głównego zbiornika ciekłego metanu
20 dla głównego zbiornika ciekłego tlenu
39 zaworów dla 13 wewnętrznych silników Raptor
13 do zasilania głównego zbiornika ciekłego metanu
13 do zasilania głównego zbiornika ciekłego tlenu
13 dla zasilania zbiornika ciekłego tlenu do lądowania

No i mamy zapłon!

Informacje zawarte w tym artykule powinny pozwolić na lepsze zrozumienie działania systemu dystrybucji paliwa Super Heavy, tego, co jest potrzebne do zasilania 33 silników Raptor.

Konstrukcja ta została już przetestowana w locie i udowodniła, podczas IFT-2, że umożliwia bezproblemowe przeprowadzenie pełnego cyklu spalania wszystkich 33 silników!

Poniżej pełny render omawianego systemu dystrybucji paliwa Super Heavy.

Autor artykułu: Ringwatchers

Tłumaczenie artykułu: SpaceX Polska

Zdjęcia: SpaceX, RGV Aerial Photography, Nic Ansuini, BocaChicaGal i Kevin Randolph

Rendery: Chameleon Circuit