Combustible para cohetes

El combustible de un cohete , más precisamente un motor de cohete , se llama combustible de cohete . Crea el empuje de un cohete.

La elección del combustible para cohetes es el factor determinante para el impulso específico ( ) de un motor de cohete. El impulso específico es una medida de la eficiencia de los motores, es decir, el consumo de combustible por impulso.

Aunque siempre es deseable un impulso específico alto, a menudo se utilizan combustibles con menor eficiencia. Por ejemplo, en la primera etapa de los motores de cohetes, el queroseno se usa a menudo como combustible o cohetes de combustible sólido , aunque los motores con hidrógeno líquido o propulsión eléctrica tienen un impulso específico mucho mayor y, por lo tanto, son más eficientes. La razón radica en el bajo precio y la simplicidad de los primeros motores y en el empuje comparativamente bajo que permiten los últimos motores. Al despegar de la superficie de la tierra, es necesario un gran empuje porque el cohete tiene que superar la aceleración de la gravedad. En una segunda etapa, se pueden utilizar otros combustibles (por ejemplo, hidrógeno líquido) ya que el empuje requerido es menor. Para misiones más allá de la órbita terrestre, se pueden utilizar motores con bajo empuje y alto impulso específico.

Además del precio del combustible para cohetes, las propiedades importantes son su densidad (influye en el tamaño del tanque), vida útil (descomposición, evaporación), peligrosidad ( autoignición , comportamiento de ignición y compatibilidad ambiental) y agresividad ( corrosión ) contra el tanque, tuberías, bombas y turbinas.

Los propulsores más comunes que se utilizan en los cohetes son los químicos. Los productos de una reacción química se expulsan de la boquilla del motor a alta velocidad. Tanto la energía como la masa de soporte provienen de la reacción química. Por el contrario, muchos sistemas de propulsión eléctricos y nucleares utilizan una masa de soporte dedicada (por ejemplo, hidrógeno) que no se quema, sino que se calienta eléctrica o nuclearmente y, por lo tanto, escapa a alta velocidad.

Vida útil y almacenamiento

Las diversas clasificaciones de combustibles también tienen propiedades especiales con respecto a su durabilidad y almacenamiento. Los propulsores sólidos son los más fáciles de almacenar, pero ciertas condiciones también limitan su almacenamiento. No deben producirse grietas ni contracciones. Los combustibles líquidos, por otro lado, no deben congelarse ni evaporarse en el rango de temperatura ambiente normal (por ejemplo, durante el arranque y el almacenamiento), lo que significa un rango de temperatura de -20 ° C a +80 ° C.

Los combustibles licuados por congelación y denominados criogénicos en los viajes espaciales son difíciles de almacenar debido a su estado físico, ya que la evaporación no se puede evitar incluso con un aislamiento de tanque complejo. El uso en cohetes reduce así el posible tiempo de inactividad entre el repostaje y el lanzamiento del cohete y requiere medidas tecnológicas adicionales (por ejemplo, aislamiento de los tanques, prevención de la formación de hielo, repostaje continuo antes del despegue, dispositivos de evaporación) en el diseño del cohete.

Combustibles quimicos

En los sistemas de combustible químico, una reacción química crea el empuje del cohete. Se hace una distinción general según el tipo de combustible en combustibles sólidos, líquidos o híbridos o según el número de reactivos implicados en el proceso de combustión en Monergol, Diergol o Triergol. La reacción química libera energía térmica y productos de reacción , que crean altas presiones y temperaturas en la cámara de combustión , lo que hace que los productos de reacción sean expulsados ​​de la boquilla del motor a alta velocidad.

La mayoría de los combustibles químicos para cohetes requieren un propulsor (también llamado combustible ) y un oxidante . Estos pueden estar en forma mixta (cohete sólido) o sin mezclar antes del despegue. Dependiendo del tipo y área de aplicación del misil, se utilizan los siguientes combustibles:

Propelente sólido

Los propulsores sólidos pueden ser sólidos (compuestos) homogéneos o heterogéneos que contienen otros aditivos (estabilizadores) además del combustible y el oxidante.

Combustibles sólidos homogéneos

Los combustibles homogéneos son mezclas homogéneas sobre una base coloidal de nitrato de celulosa o trinitrato de glicerina , que también pueden contener aditivos de oxidantes, combustibles y estabilizadores (reducen la descomposición espontánea de los nitratos, por ejemplo, dietilfeniluretano , difenilamina ). Si solo se usa nitrato de celulosa, se habla de combustible de base única, de lo contrario combustibles de base doble, que son más energéticos, pero por lo tanto también requieren estabilizadores.

La pólvora negra se utiliza principalmente como combustible sólido para fuegos artificiales y modelos de cohetes . Para aplicaciones militares, la pólvora negra fue reemplazada en gran parte por el polvo de nitrato de celulosa de bajo humo ya en la Segunda Guerra Mundial. Los propulsores sólidos homogéneos pertenecen en su mayoría a la categoría de propulsores de baja energía, ya que tienen una velocidad de salida inferior a 2200 m / s.

Combustibles sólidos heterogéneos (compuestos)

Los propulsores sólidos heterogéneos (compuestos) se producen mediante la mezcla mecánica de combustibles y oxidantes.

Para los cohetes sólidos , como son comunes en los viajes espaciales o para algunos cohetes militares, se utilizan mezclas vertibles de un oxidante como perclorato de amonio o nitrato de sodio / amonio y un agente reductor como polvo de aluminio ( propulsor compuesto de perclorato de amonio ). La sustancia de soporte, también un agente reductor, se compone de resinas sintéticas como poliuretanos o polisulfuros , pero principalmente HTPB . Pequeñas cantidades de óxido de hierro como catalizador y otros aditivos mejoran las propiedades.

La mezcla se vierte en moldes. A continuación , el propulsor se endurece, lo que reduce en gran medida la formación de grietas y cavidades y, por lo tanto, hace que el transporte y la manipulación sean muy seguros. También se investigó si el litio , el berilio , el boro o el magnesio se pueden utilizar en lugar o además del aluminio . Con compuestos altamente desarrollados, se pueden lograr velocidades de salida de hasta 3300 m / s. Aparte del aluminio, estos (berilio por su toxicidad, litio por su difícil manejo, boro por la formación de capas impermeables de óxido) no se han utilizado hasta ahora.

Los impulsores del transbordador espacial pueden servir como ejemplo de la composición . En estos, el combustible consta de un 69,93% de perclorato de amonio como oxidante, un 16% de polvo de aluminio como combustible y un 0,07% de polvo de óxido de hierro como catalizador. La sustancia aglutinante utilizada es el 12,04% de acrilonitrilo de ácido acrílico polibutadieno y el 1,96% de un endurecedor epoxi, que también se queman y, por lo tanto, proporcionan un empuje adicional.

En 2009 fue posible utilizar la explosividad del aluminio y el agua en el nuevo combustible para cohetes Alice .

Combustible híbrido

El combustible híbrido (Lithergol) es una transmisión mixta que consta de un componente de combustible sólido y líquido . La mayoría de las veces, el combustible reductor es sólido, a menudo un plástico , por ejemplo , HTPB, o incorporado en él, p. Ej. B. hidruro de litio, etc. El oxidante es entonces líquido, principalmente ácido nítrico , óxido nitroso , oxígeno líquido , flúor , difluoruro de oxígeno o FLOX (mezcla de oxígeno líquido y flúor líquido). Por ejemplo, el SpaceShipOne voló con HTPB y óxido nitroso. Sin embargo, también se han realizado experimentos con híbridos inversos, en los que un comburente sólido quema un combustible líquido. Los misiles con un sistema de propulsión correspondiente se denominan misiles híbridos .

Combustible líquido

En el estado operativo, los propulsores líquidos u oxidantes utilizados en los motores de cohetes se denominan propulsores líquidos . Se hace una distinción entre Monergole (combustibles de un combustible), Diergole (combustibles de dos combustibles) y Triergole (sistemas de tres combustibles), lo que conduce directamente al número de tanques separados necesarios.

Monergole

Los combustibles líquidos de esta categoría son combustibles de bajo consumo energético. En el caso del llamado Katergole, los monergols se desintegran mediante la adición de un catalizador , otras formas como el combustible de torpedo Otto 2 se convierten por oxidación . Un ejemplo de katergol es la hidracina , que se utiliza, por ejemplo, para los sistemas de control de actitud de las naves espaciales. En este caso, la hidracina es con la ayuda de un catalizador ( iridio o molibdeno - nitruro sobre alúmina descompuesta con una gran superficie) a nitrógeno e hidrógeno. Otro ejemplo es una solución al 70-80% de peróxido de hidrógeno . Como catalizador se utiliza permanganato de calcio o gasa plateada . Sin embargo, el peróxido de hidrógeno es muy peligroso debido a su tendencia a descomponerse espontáneamente (incluso si está ligeramente contaminado por sustancias metálicas u orgánicas). Además, se puede utilizar óxido de etileno como Monergol. Se descompone en metano y monóxido de carbono , según las condiciones de reacción . La mezcla de gases resultante se puede oxidar completamente a dióxido de carbono y agua en un postquemador.

Datos de rendimiento de algunos monergoles

material combustible		 Catalizador
Velocidad de salida (m / s)
N 2 H 4 Iridio sobre óxido de aluminio 2220
H 2 O 2 Permanganato de calcio 1860

Diergole

En los sistemas diergol (sistemas de dos combustibles), a excepción de los accionamientos híbridos en motores líquidos, ambos componentes son líquidos (por ejemplo, hidrógeno / oxígeno). En el caso de la propulsión híbrida, el combustible suele estar presente en forma sólida y el oxidante como gas o líquido. Los representantes más fuertes de los sistemas Diergol incluyen mezclas de hidrógeno y oxígeno que pueden alcanzar velocidades de salida de hasta 4500 m / s (13,680 km / h) en el vacío.

Los siguientes se utilizan ampliamente como combustible: alcohol , gasolina , queroseno , hidracina , UDMH ( dimetilhidrazina asimétrica), MMH (monometilhidrazina), aerozine 50 (50% UDMH y 50% hidrazina), UH 25 (75% UDMH y 25% hidracina) e hidrógeno líquido . En el pasado, el amoníaco también se usaba antes del cambio a la hidracina y sus derivados o mezclas de ambos. El metano y el hidrógeno proporcionan el mayor impulso específico, pero son difíciles de manejar debido a las bajas temperaturas de almacenamiento. Syntin es otro hidrocarburo que se utilizó en la Unión Soviética en las décadas de 1980 y 1990 como combustible para el misil Soyuz y el Buran. Prácticamente sólo se utilizan como oxidantes oxígeno y flúor o compuestos que contienen altas concentraciones de una de las dos sustancias. Casi todos los oxidantes, a excepción del óxido nitroso, son químicamente agresivos o deben refrigerarse. Sobre todo, se utilizan oxígeno líquido (LOX: oxígeno líquido ), peróxido de hidrógeno , ácido nítrico fumante (RFNA: ácido nítrico fumante rojo ), tetróxido nitroso u óxido nitroso . En principio, también es concebible el flúor líquido, pero prácticamente imposible por razones medioambientales .

El encendido se realiza ya sea eléctricamente, con un cartucho sólido, o con algunas combinaciones de combustibles por sí solo ( hypergol ), lo que es una ventaja para esta combinación de combustibles, ya que se puede prescindir de sistemas de encendido más o menos complejos.

Datos de rendimiento teórico de algunas combinaciones de combustibles
Oxi
dator
material combustible
Proporción de mezcla
densidad media
(g / cm 3 )
Temperatura de combustión
(° C)
Velocidad de salida
(m / s)
O 2 C 2 H 5 OH 1,43 1.01 2960 2740
O 2 RP-1 2,58 1.03 3403 2941
O 2 C 3 H 4 2,05 1.08 N / A 3093
O 2 C 2 H 4 2,38 0,88 3486 3053
O 2 CH 4 3,21 0,82 3260 3034
O 2 N 2 H 4 0,90 1.07 3130 3070
O 2 H 2 4.02 0,28 2700 3830
O 2 B 2 H 6 1,96 0,74 3489 3351
O 2 Ancho 5 alto 9 2.12 0,92 3834 3124
ClF 3 C 10 H 20 3,20 1,41 3250 2530
ClF 3 N 2 H 4 2,81 1,49 3650 2885
H 2 O 2 (95%) UDMH 4.54 1,24 2650 2720
H 2 O 2 (95%) RP-1 7.35 1,30 2915 2730
H 2 O 2 (95%) N 2 H 4 2.17 1,26 2580 2760
N 2 O 4 Aerozin 2,00 2,00 3100 2820
N 2 O 4 MMH 2.17 1,19 3122 2827
N 2 O 4 N 2 H 4 1,36 1,21 2992 2862
ORL 3 C 10 H 20 4,80 1,35 2960 2630
ORL 3 N 2 H 4 1,45 1,28 2800 2830
F 2 N 2 H 4 2.30 1,31 4440 3560
F 2 H 2 7.60 0,45 3600 4020
F 2 Ancho 5 alto 9 5.14 1,23 5050 3502
F 2 CH 4 4.53 1.03 3918 3414
DE 2 H 2 5,92 0,39 3311 4014
DE 2 CH 4 4,94 1.06 4157 3485
DE 2 B 2 H 6 3,95 1.01 4479 3653
DE 2 RP-1 3,87 1,28 4436 3424
DE 2 MMH 2,28 1,24 4075 3427
DE 2 N 2 H 4 1,51 1,26 3769 3381
DE 2 Ancho 5 alto 9 4.16 1,20 4825 3539
N 2 F 4 CH 4 6.44 1,15 3705 3127
N 2 F 4 MMH 3.35 1,32 3819 3163
N 2 F 4 N 2 H 4 3,22 1,83 4214 3283
N 2 F 4 Ancho 5 alto 9 7.76 1,34 4791 3259

(Presión de la cámara de combustión de 7 MPa, relación de expansión 1:70, combustión adiabática, expansión isentrópica, equilibrio químico).

Triergole

Los sistemas Triergol (sistemas de tres sustancias) contienen sistemas diergol (dos componentes), que se suministran adicionalmente con hidrógeno o polvo metálico ( litio , aluminio , berilio ) para aumentar el impulso específico . Aunque estos sistemas de combustible se han investigado bien hasta ahora, nunca se han utilizado en la práctica debido a la compleja estructura del motor y el cohete (¡tres tanques!).

Datos de rendimiento teórico de algunos Triergole
Oxi
dator
material combustible
Combustible adicional
Velocidad de salida
(m / s) 		Stei-
retraso
O 2 H 2 26% Ser 4500 17%
O 2 H 2 29% Li 4000 04%
O 2 N 2 H 4 15% Ser 3350 09%
F 2 N 2 H 4 25% de Li 3700 03%
F 2 H 2 15% Ser 4100 02%
F 2 H 2 20% de Li 4400 09%
N 2 O 4 MMH 15% Ser 3100 10%
N 2 O 4 MMH 15% Al 2900 03%
N 2 O 4 N 2 H 4 10% ser 3200 12%
H 2 O 2 N 2 H 4 13% Ser 3300 17%

(Presión de la cámara de combustión de 7 MPa, relación de expansión 1:70, combustión adiabática, expansión isentrópica, equilibrio químico)

Efecto Oberth

El pionero espacial Hermann Oberth , por quien el pionero de los cohetes francés Robert Esnault-Pelterie más tarde nombró el efecto, descubrió a través de la experimentación empírica que cuando el cohete alimenta el hidrógeno y el oxígeno reaccionan , la velocidad de salida puede incrementarse aumentando el contenido de hidrógeno. Esto se debe a que, como resultado del exceso de hidrógeno, la disociación se elimina prácticamente y el hidrógeno puro es más ligero y, por lo tanto, puede fluir más rápido que el vapor de agua disociado o incluso no disociado . Otro efecto secundario es una temperatura ligeramente más baja con demandas correspondientemente más bajas en el sistema de enfriamiento del variador, de modo que cuando se reduce el peso del oxígeno, hay un aumento en la carga útil .

Hoy en día, el hidrógeno y el oxígeno se utilizan en motores de hidrógeno-oxígeno en una relación de masa de 1: 4 a 1: 6 (en lugar de la relación de masa estequiométricamente correcta de 1: 8).

Este efecto no debe confundirse con el uso en inglés de “ Oberth Effect ”, que describe la conexión de que se logra una relación más favorable entre la energía cinética y potencial del combustible expulsado a una velocidad aérea más alta de la nave espacial.

Combustibles químicos actualmente en uso

Las siguientes combinaciones son particularmente comunes para cohetes grandes:
Para propulsión:

Solo se utilizan sustancias no criogénicas para el sistema de control de actitud:

  • MMH con tetróxido de dinitrógeno o MON como hipergol
  • Hidrazina como monergol

investigar

Actualmente se están investigando dos posibilidades para aumentar el impulso específico de los motores químicos: los radicales libres y los elementos metaestables . Todos los métodos aún se encuentran en la etapa experimental:

  • El ozono es inestable, pero el tetra oxígeno alótropo debería ser más estable. Esto permitiría impulsos específicos de hasta 564 s (5538 Ns / kg) en el vacío.
  • También se está intentando utilizar radicales de hidrógeno como combustible. Para aumentar la estabilidad del elemento, se mezclan con hidrógeno líquido. Si esta combinación (con un teórico 15,4% de radicales) se quema con oxígeno líquido, se pueden lograr impulsos específicos de hasta 750 s (7358 Ns / kg) en vacío.
  • En la Universidad de Orsay en París , se produjo helio metaestable a modo de prueba y se almacenó como condensado de Bose-Einstein . La reacción de helio metaestable a helio haría posibles impulsos específicos de 2825 s (27,713 Ns / kg), más que con los impulsores nucleares.

Combustibles en accionamientos eléctricos

El término combustible (pero sobre todo el término combustible) es engañoso en el caso de los accionamientos eléctricos, ya que solo funciona como un medio para la transmisión de impulsos, pero no como la fuente real de energía. En cambio, generalmente se conoce como masa de soporte.

En el caso de una unidad de iones , el cesio, el xenón o el mercurio sirven como masa de soporte. El combustible se ioniza y acelera con la ayuda de un campo eléctrico y magnético. La ventaja de este diseño es que la energía eléctrica necesaria se puede obtener en el espacio utilizando células solares, por ejemplo, y se utiliza muy poco combustible, porque se emite muy poca masa, pero a muy alta velocidad. Las fuerzas de empuje logradas son extremadamente pequeñas. Además, el motor solo funciona en alto vacío, como ocurre en el espacio, por ejemplo.

En motores de arco térmico que trabajen con hidracina, amoniaco o hidrógeno. El arco calienta la masa de soporte, que se expande y se acelera hacia atrás a través de una boquilla.

Combustibles en motores nucleares

El hidrógeno líquido o el amoníaco, que se calienta a unos 3000 ° C con la ayuda de un reactor (proyecto NERVA ), se utiliza como masa de soporte en un propulsor nuclear .

El proyecto Orion preveía el uso de pequeñas bombas atómicas para la propulsión.

Unidad de fusión

Hay varios enfoques para realizar un impulso de fusión . Uno de ellos usa pulsos de láser para llevar una pequeña cantidad de 3 He a la temperatura requerida para la fusión. Los productos de reacción de alta energía salen de la unidad a través de una boquilla magnética . Si enciende muchas de estas reacciones seguidas, se produciría un retroceso casi continuo.

Propulsión de antimateria

La energía para una propulsión de antimateria actualmente hipotética sería proporcionada por la aniquilación en pareja de materia y antimateria. En este proceso, toda la energía en reposo de las partículas se convierte completamente en gamma quanta de alta energía, que primero tendría que convertirse en energía cinética a través de la absorción para acelerar otra materia y expulsarla de manera dirigida.

El mayor problema desde el punto de vista actual es la generación y almacenamiento de antimateria, dado que la producción consume tanta energía como la que luego aporta la reacción, se descarta la producción a bordo de la nave espacial. Habría que llevar la antimateria. El almacenamiento de estos debe ser 100 por ciento confiable, de lo contrario la nave espacial sería destruida.

Con el estado actual de la técnica, no es posible un accionamiento de antimateria, ya que no hay forma de generar grandes cantidades de antimateria. Con el motor de materia-antimateria, casi podría alcanzar la velocidad de la luz. Solo se necesitarían alrededor de 0,1 gramos de antiprotones para un vuelo de ida y vuelta, pero incluso la producción de esta pequeña cantidad de antiprotones es actualmente utópica.

Ver también

literatura

  • Karl Klager: Combustibles para cohetes . En: Química en nuestro tiempo . cinta 10 , no. 4 , 1976, pág. 97-105 , doi : 10.1002 / ciuz.19760100402 .

fuentes

  1. ↑ Jared Ledgard: El manual preparatorio de pólvora negra y pirotecnia. V1.4, Jared Ledgard 2007, ISBN 978-0-615-17427-3 , págs. 39, 51-52, 73, 77, 540, 549.
  2. ↑ Entrada sobre combustibles para cohetes. En: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, consultado el 6 de febrero de 2012.
  3. ↑ Armin Dadieu, Ralf Damm, Eckart W. Schmidt: Raketentreibstoffe . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-7132-5 , pág. 496 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google).
  4. ↑ NASA: PROPELLANTS ( Memento del 27 de abril de 2011 en Internet Archive )
  5. ↑ Horst W. Köhler: Klipp und Klar: viajes espaciales 100x. Bibliographisches Institut, Mannheim, Viena, Zúrich 1977, ISBN 3-411-01707-4 , p. 30.
  6. ↑ Clay Robison, William. (1953). Propiedades del óxido de etileno y la hidracina relacionadas con su uso como propulsores .
  7. ↑ Frederick C. Durant, Sociedad Astronáutica Americana, Academia Internacional de Astronáutica: Primeros pasos hacia el espacio: actas de la primera y segunda Historia ... Publicaciones AAS, 1974, ISBN 978-0-87703-243-4 , págs. 134 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google).
  8. ↑ http://isdc2.xisp.net/~kmiller/isdc_archive/fileDownload.php/?link=fileSelect&file_id=360 (enlace no disponible)

enlaces web