Propulsión Espacial - Departamento de Ingeniería Aeroespacial

Transcripción

Introducción a la Ing. Aeroespacial
Tema 11 – Propulsión Espacial
Sergio Esteban Roncero
Francisco Gavilán Jiménez
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Curso 2013-2014
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
1
Introducción



Los motores cohete son sistemas de propulsión
autónomos. No dependen del medio exterior
El propulsante va almacenado abordo.
Tipos:

MC químicos:




MC eléctricos




Propulsante líquido
Propulsante sólido
Propulsante híbrido
Termoeléctricos
Electrostáticos
Electromagnéticos
MC nucleares
2
Motores Cohete I
Tipos de Cohetes




Químicos
Eléctricos
Nucleares
3
Motores Cohete II
Ventajas de los motores de cohete










Es el motor más potente en relación a su peso
No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente
No requiere lubricación ni enfriamiento
Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos
Su reacción es instantánea
No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de
miles de usos
No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia
Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento
No solo no contamina, sino que el cohete de peróxido de hidrógeno produce
oxígeno
Desventajas de los motores de cohete




Es el motor que más combustible consume
Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es
supersónico
En los motores de propergol sólido, una vez comenzada la reacción esta
no se puede detener
4
Motores Cohete III
Cohetes químicos sólidos
5
Motores Cohete IV
6
Impulso Específico
7
Motores Cohete Químicos
MC de propulsante líquido
Propulsante

Monopropulsantes




Energía obtenida de la descomposición de una única
sustancia
El más conocido es la hidracina (N2H4)
Aplicación principal a motores pequeños de control de
actitud
Bipropulsantes


Energía obtenida de la reacción química entre dos
sustancias: oxidante + combustible
Combinaciones típicas:



O2 – H2
O2- RP1 (Rocket Propellantt~derivado keroseno)
O2 – Monometil Hidracina
9
Sistema de alimentación
Helio o nitrógeno
turbobombas
3 depósitos
alta presión
10
Sistema de alimentación - turbobombas
F1 Saturn II
SSME
P&W RL10
11
Motor P&W RL10 (Expander - III)
Cámara de Combustión


Función: generar gas a alta temperatura y presión para
que pueda ser acelerado en la tobera
Componentes:




En la combustión se libera una cantidad enorme de
energía




Matriz de inyectores (vaporización)
Sistema de ignición
Cámara de reacción
Potencia en plantas de vapor ~ 0.3 MW/m3
Potencia en aerorreactores ~ 300 MW/m3
Potencia en motores cohete ~ 30000 MW/m3
Problemas de refrigeración para no dañar la estructura
Cámara de Combustión
Cámara de Combustión – sistemas de inyección
Tobera de salida


Produce la expansión y aceleración de los gases
hasta velocidades supersónicas
Geometría convergente divergente
MC de propulsante sólido
Descripción general




El propulsante lo constituye una única mezcla entre oxidante y
combustible en almacenada en estado sólido.
No son reutilizables. Una vez iniciada la ignición, no se pueden
detener.
Diseños simples y de bajo coste
Tipos:

Homogéneos: oxidante y combustible contenidos en una misma molécula


Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible.



Nitroglicerina – Nitrocelulosa
Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato
potásico, …
Combustible: poliuretano
Aplicaciones:



Misiles
Etapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle - SRB)
Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy)
Liftoff of the Shuttle Challenger for STS 51-L mission
MC híbridos
Motores Cohete Eléctricos
MC eléctricos
Generalidades

Utilizan energía eléctrica para calentar y/o acelerar el
propulsante



Se trata de la forma más eficiente de añadir energía al
propulsante en el espacio
Proporcionan empujes muy pequeños: ~1 N



Mayor autonomía: no necesitan eyectar grandes cantidades de
propulsante para conseguir empuje
En los MC químicos: empujes ~107 N
Aplicaciones fundamentales a la propulsión espacial
Tipos:



Termoeléctricos
Electrostáticos
Electromagnéticos
MC termoeléctricos


Usan energía eléctrica para calentar el
propulsante, el cual es acelerado en una
tobera.
Propulsante almacenado en estado gaseoso
en un depósito presurizado:


Nitrógeno, hidrógeno, hidracina, amoniaco, …
Según el calentamiento, varios tipos:


Resistojet
Motor de arco eléctrico
MC termoeléctricos
Resistojet

Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante
space-qualified hydrazine resistojet

Calentamiento mediante arco eléctrico
diagram of an arcjet
hydrogen arcjet firing
ammonium arcjet firing
MC electrostáticos
Motor de Iones


El propulsante es primeramente ionizado y después
acelerado mediante campos eléctricos
Arquitectura:




Proceso de ionización:



Generador de iones
Acelerador
Neutralizador
Bombardeo con electrones
Contacto con filtro de Wolframio caliente
Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen
bajas energías de ionización
MC electrostáticos
Motor de Iones
MC electromagnéticos


Propulsante: fluido conductor eléctricamente
La aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza
de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos







Rail guns
Magnetoplasmadynamic (MPD) Thrusters
Hall Thrusters
Pulsed Inductive Thrusters
Pulsed Plasma Thrusters
Field Emission Electric Propulsion (FEEP) Thrusters
Mass Drivers
Magnetoplasmadynamic Thuster
Pulsed Plasma Thuster
Hall Effect Thruster
Pulsed Inductive Thuster
Motores Cohete Nucleares
MC Termonucleares

El propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un
reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera
Referencias


Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de
2008.
Wikipedia, http://en.wikipedia.org

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