Risco de uso de hidrazina após exposição ao congelamento-descongelamento

Para obter mais informações, entre em contato com Jonathan E. Jones, Centro de Pesquisa Langley, jonathan.e.jones@nasa.gov

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O objetivo deste Boletim Técnico é comunicar os riscos associados aos ciclos de congelamento e descongelamento em sistemas monopropelentes de hidrazina e fornecer recomendações gerais para mitigar danos, riscos operacionais e perda de confiabilidade do sistema em sistemas de propulsão e auxiliares de hidrazina.

Fundo
A hidrazina (N2H4) congela perto de 1,6°C, e sabe-se que sua transição de fase introduz riscos ao hardware de voo. Vários programas da NASA encontraram historicamente problemas relacionados ao congelamento de hidrazina:

• As linhas de hidrazina APU do ônibus espacial eram vulneráveis ​​à contração induzida pelo congelamento seguida pela expansão excessiva induzida pelo degelo, capaz de estourar o encanamento. As regras de voo do ônibus espacial não permitiam mais do que dois ciclos de congelamento e descongelamento antes de considerar o sistema degradado ou com falha.¹

• Os sistemas de propulsão da Voyager enfrentaram cenários de ameaça à missão à medida que as temperaturas da hidrazina se aproximavam da faixa de congelamento/formação de lama (0,1–1,6°C). A modelagem térmica detalhada foi necessária para evitar o congelamento das linhas, bloqueio e mau funcionamento dos propulsores.²

• As propriedades termodinâmicas da hidrazina confirmam mudanças significativas na densidade e pressão através das transições de fase, enfatizando a sensibilidade das linhas propulsoras ao estresse de congelamento-descongelamento.³

Estas lições combinadas constituem a base para a identificação e mitigação de riscos.

Resumo do problema
A exposição ao congelamento-descongelamento dos sistemas de hidrazina apresenta os seguintes riscos críticos:

• Danos Estruturais A contração da hidrazina durante o congelamento permite propelente adicional em linhas confinadas, produzindo condições “supercompactadas” que causam ruptura da linha ou do encaixe após o degelo.²

• Comprometimento da válvula, da vedação e do diafragma Os componentes elastoméricos e as sedes das válvulas de precisão podem sofrer rachaduras, distorções ou perda da capacidade de vedação devido à expansão térmica diferencial. As avaliações térmicas da Voyager destacaram a suscetibilidade de longos trechos de aço inoxidável a perfis de temperatura assimétricos.²

• Bloqueio de linha e formação de lama A hidrazina parcialmente descongelada pode permanecer “lama”, restringindo o fluxo, alterando as taxas de fluxo de massa e causando partidas bruscas ou falhas de ignição do propulsor.²

• Vazamentos perigosos Os danos induzidos pelo congelamento podem permitir que a hidrazina escape do confinamento, apresentando riscos significativos de toxicidade, reatividade e exposição da equipe de terra.

• Perda de confiabilidade do sistema Conforme documentado nas operações do ônibus espacial, os sistemas de hidrazina expostos a ciclos de congelamento e descongelamento tornam-se com vida útil limitada, reduzindo a redundância e a disponibilidade da missão.¹

• Incerteza da margem térmica A experiência da Voyager demonstrou que leituras simples de temperatura não podem determinar com segurança a temperatura real da linha, necessitando de modelagem térmica de alta fidelidade.²

Recomendações Medidas de Prevenção
• Manter a hidrazina acima da margem de congelamento Mantenha todos os sistemas de hidrazina acima do ponto de congelamento, usando aquecedores, isolamento, cobertores ou purga de gás quente. Incluir análise de incerteza na modelagem e testes para garantir que margens adequadas contra congelamento sejam mantidas durante todas as fases da operação.

• Evite o resfriamento descontrolado durante operações em solo Certifique-se de que os componentes do tanque, da linha e da válvula permaneçam em áreas ambientalmente controladas até serem integrados ao veículo.

Protocolo de resposta pós-congelamento
Se o congelamento não puder ser descartado:

• Suspender o uso do sistema Não opere o sistema de hidrazina até que a avaliação de engenharia seja concluída.

• Avaliar o número de ciclos de congelamento-descongelamento Trate cada ciclo como limitador de vida, uma avaliação de engenharia (estática e fadiga) deve ser realizada com base em estimativas conservadoras das pressões da linha durante/após os ciclos de congelamento/descongelamento para compreender possíveis danos à linha/componentes. Deve ser aplicada uma margem adequada com base na incerteza da análise e/ou nos pressupostos subjacentes.

• Realizar verificação de integridade Realize testes de queda de pressão, NDE (se o projeto permitir) e avaliações da integridade da válvula.

• Implemente o descongelamento lento e uniforme Para evitar o excesso de pressão induzido pelo degelo, aqueça o hardware de forma gradual e uniforme. A experiência do Shuttle com “superpacking” reforça a necessidade de descongelamento controlado.

Prontidão operacional do propulsor e da válvula
• Certifique-se de que os leitos catalíticos e as válvulas atinjam as condições térmicas adequadas de operação antes de comandar qualquer fluxo.

• Realize períodos de estabilização térmica antes do início, especialmente quando as temperaturas de prontidão para voo forem marginais.

Modelagem e Monitoramento Térmico
• Utilize modelagem de linha térmica de alta fidelidade, emulando a abordagem detalhada de modelagem de linha de propelente da Voyager.²

• Evite confiar apenas nas temperaturas da placa a granel ou do tanque para inferir a prontidão da linha.

• Use análises e testes térmicos para orientar o posicionamento da instrumentação nos sistemas de voo para monitorar os principais pontos de ajuste de temperatura.

Documentação e rastreamento de incidentes
• Registre todas as exposições ao congelamento como anomalias reportáveis.

•Atribua disposições de engenharia e monitore a redução da vida útil do hardware de acordo.

Conclusão
Os ciclos de congelamento e descongelamento da hidrazina apresentam riscos estruturais, operacionais e de segurança significativos para sistemas de propulsão e auxiliares. Os programas históricos da NASA mostram que a prevenção do congelamento da hidrazina é a mitigação mais eficaz, com a exposição ao congelamento exigindo avaliação formal de engenharia, ajustes no limite de vida e procedimentos de recuperação controlados. A adesão a essas recomendações reduzirá o risco para o pessoal, o equipamento de voo e o sucesso da missão.

Referências
1. Regras de voo operacional do ônibus espacial, Vol. A. Todos os Voos, Diretoria de Operações de Missão, 20 de junho de 2002. 2. WC Ledeboer, “Creating a Voyager Thermal Model 39 Years Into the Flight Mission, Along With Model Correlation and Application”, 8 de julho de 2018. 3. JL Haws e BG Harden, “Thermodynamic Properties of Hydrazine”, novembro de 1965.