Sloshing of Cryogenic Liquids in a Cylindrical Tank under normal Gravity Conditions

Particularly in the upper stage development of rockets (launchers), gravity dominated fluid motion in upper stage tanks (sloshing) during flight represents an undesired dynamic effect. On the one hand the sloshing forces lead to disturbances, which have to be compensated by the reaction control system. On the other hand, when cryogenic fluids are considered, the fluctuations in tank pressure may be critical under some circumstances compromising the structural stability of the tank. In this field, the utilization of cryogenic propellants represents a high challenge to layout and design of the propulsion components including the propellant tanks. This work deals with two effects that are directly coupled to the sloshing content inside the propellant tank. To investigate these effects a dedicated test setup has been developed. At first, the damping characteristics of sloshing cryogenic nitrogen - which is used as a substitute for the rocket propellants liquid hydrogen and liquid oxygen - are determined. The results are correlated to the theory based on storable propellants. The main part of this work is linked to a characteristic pressure drop inside the propellant tank caused by the sloshing liquid. For the effect to occur, the tank must be pressurized to enable the formation of a thermal stratification below the liquid surface. Sloshing leads to the mixing of liquid in this region with subcooled liquid from the bulk. This affects the decrease of the temperature at the free surface leading to the condensation of superheated vapor. Thus, the pressure in the tank must decreases. Three different pressurization concepts are introduced in this work; self-pressurization where the tank is pressurized by evaporating liquid caused by the heat flowing into the tank. Furthermore, the tank is pressurized with gaseous nitrogen taken from an external gas bottle and at last gaseous helium from an external supply is used for pressurization purpose. By the application of helium as non-condensable gas, a significant reduction of the pressure drop is expected. The experimental results confirm this working hypothesis and therefore support the theoretical considerations described by an approach of Das & Hopfinger. All results are presented in a non-dimensional form to allow the comparison to data from the literature. Furthermore, the upscaling of the current results enables the prediction for future cryogenic upper stages such as the ESC-B for the European space launcher Ariane 5. Schwerkraftdominierte Flüssigkeitsbewegungen in geschlossenen Tanks beschreiben im Bereich der Raumfahrt - spezieller im Bereich der Oberstufenentwicklung - einen dynamischen Zustand, welcher meist unerwünscht zu einer Störung der Lageregelung führt und unter ganz besonderen Umständen zu einem Risiko der Tankintegrität werden kann. Die Verwendung von kryogenen Treibstoffen stellt eine große Herausforderung an die Auslegung und Entwicklung der Antriebskomponenten dar, zu denen auch die Treibstofftanks gehören. Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei Effekten, welche im direkten Zusammenhang mit der schwappenden Flüssigkeitsbewegung im Tank stehen. Zunächst wird das Dämpfungsvermögen von kryogenem Stickstoff - als Ersatz für die Oberstufentreibstoffe Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff- bestimmt und mit Korrelationen aus dem Bereich der lagerfähigen Treibstoffe aus der Literatur verglichen. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung eines charakteristischen Druckabfalls, welcher durch das Schwappen der kryogenen Flüssigkeit (Stickstoff) hervorgerufen wird. Voraussetzung für diesen Effekt ist ein bedrückter Tank, welches die Ausbildung eines Temperaturgradienten im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche impliziert. Die Flüssigkeit wird durch die Schwappbewegung durchmischt und führt folglich zu einem Absinken der Sättigungstemperatur, zu Kondensation und zu dem Druckabfall. Es werden drei verschiedene Bedrückungskonzepte untersucht, welche im Bereich der Oberstufenentwicklung Anwendung finden könnten. Als erstes wird der Tank selbstbedrückt durch die Verdampfung, die durch die in den Tank fließende Wärme hervorgerufen wird. Als zweites wird der Tank mit gasförmigem Stickstoff bedrückt und als drittes mit gasförmigem Helium. Durch den Einsatz von Helium als nicht-kondensierbares Inertgas wird eine Reduzierung des Effektes erwartet. Die erzielten Ergnisse in dieser Arbeit werden dimensionslos präsentiert und ermöglichen einen Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur und einen Ausblick auf den Umfang dieser Effekte skaliert auf die geplante kryogene Oberstufe ESC-B der europäischen Trägerrakete Ariane 5.