Motor de cohete

Los motores de cohete o motores de cohete son impulsores que generan la fuerza impulsora ( empuje ) al expulsar la masa de soporte en contra de la dirección de impulsión. Debido a que no succionan ningún material del exterior y lo vuelven a expulsar a un ritmo más rápido, funcionan independientemente del entorno, es decir, también en el vacío . Fueron desarrollados originalmente para el vuelo de misiles .

Motor cohete Vulcain II de un Ariane 5

El trabajo del motor cohete se basa en el principio de retroceso (véase también impulsión de retroceso ) dentro del marco del tercer axioma de Newton . Cuanto mayor sea la velocidad de la masa de apoyo expulsada, más eficiente será el motor y mayor será el posible cambio de velocidad " Delta v " del cohete. Los motores de cohetes no solo se utilizan para impulsar cohetes, lanzar vehículos y naves espaciales , sino también para aviones y vehículos terrestres especiales (por ejemplo, cohetes ). Los motores de cohetes están muy extendidos en el sector militar, donde se utilizan para impulsar misiles balísticos o proyectiles reactivos (como lanzacohetes ) o para impulsar torpedos reactivos .

Hay varios diseños de motores de cohetes y numerosos esfuerzos para reducir los recursos necesarios para los motores de cohetes (ver Aerospike ).

Efectos teóricos que se pueden grabar en una unidad de cohetes fueron presentados en 1903 por Konstantin Ziolkowski utilizando la ecuación básica de cohetes . Más tarde, Hermann Oberth llegó a las mismas conclusiones independientemente de esto.

tecnología

Lanzamiento del misil Atlas V

La mayoría (pero no todos) los sistemas de propulsión de cohetes son motores de combustión interna : al quemar un combustible con agentes oxidantes, calientan una masa de soporte (generalmente los productos de combustión) en una cámara de combustión a una temperatura muy alta y permiten el producto de alta energía de el proceso para escapar en forma gaseosa a través de una abertura. La energía térmica liberada durante la combustión y la presión en la cámara de combustión se convierten en energía cinética cuando se escapa y generan así el empuje según el principio de retroceso. La abertura de salida de forma especial de la cámara de combustión se llama boquilla , se utiliza para aumentar la velocidad de salida (resulta en un mayor empuje) y para aumentar la presión interna en la cámara de combustión (a favor del proceso de combustión). Un tipo de boquilla de uso frecuente es la boquilla Laval . La boquilla debe enfriarse, lo que se logra mediante recubrimientos o mediante líneas de enfriamiento internas a través de las cuales fluye el combustible. Idealmente, uno relaja el chorro a la presión ambiental; En vacío o por razones prácticas (longitud y peso) esto no es posible, el diseño de la boquilla es, por lo tanto, un compromiso y parte del diseño de accionamiento.

Un parámetro clave de los motores de cohetes es el impulso específico , que describe la eficiencia del sistema de propulsión como la relación entre el impulso y el consumo de combustible. Tiene, en unidades SI , la unidad m / sy es z. B. con un motor sólido a 2450 m / s, un propulsor líquido como el del transbordador espacial a 4444 m / s.

Los contenedores para materiales operativos, bombas de material operativo y sistemas de enfriamiento a menudo se agregan como componentes adicionales.

Un cohete pierde masa durante la vida útil de su motor de cohete (debe tenerse en cuenta que, por lo tanto, la aceleración aumenta si el empuje permanece igual ). Con un motor de cohete químico , el consumo de combustible es muy alto, por lo que este efecto es mucho más significativo que con un motor de cohete nuclear , que calienta el gas para ser expulsado por una reacción nuclear. Los motores de cohetes eléctricos , como los de propulsión de iones , consumen incluso menos combustible .

La propulsión de cohetes es el único tipo de propulsión hasta ahora que hace posible realizar viajes espaciales . Para acelerar dentro de nuestro sistema solar, el método de oscilación se utiliza a menudo para ahorrar combustible. Las alternativas discutidas a la propulsión de cohetes en los viajes espaciales son los sistemas de propulsión sin masa de reacción como velas solares , mecanismos de lanzamiento con cañón de riel y otros; Hay mucha especulación sobre la propulsión de antimateria o agujero de gusano.

Los motores de cohetes se utilizan en la aviación militar como ayuda de arranque. En casos individuales, también se utilizan en automóviles , por ejemplo, para lograr récords de velocidad . También hay aplicaciones en el área de pasatiempos , fabricación de modelos y juguetes : aquí se utilizan a menudo cohetes de aire comprimido y cohetes de agua .

Tipos de motores de cohetes

Hay varios grupos y muchas variantes de motores de cohetes:

Los motores de cohetes más difundidos en la actualidad son modelos con reacciones químicas para generar la energía requerida. Existe una gran cantidad de modelos que hasta ahora solo se han propuesto teóricamente o que aún están en desarrollo.

Motor de cohete químico

Un motor de cohete químico (a diferencia de otros motores) funciona de manera completamente independiente de su entorno. Es principalmente un motor de combustión interna como el motor a reacción que respira aire , pero en contraste con esto, no depende del oxígeno atmosférico como agente oxidante . Alternativamente, puede tener lugar otra reacción química (exotérmica) en lugar de la combustión, así como una mera desintegración molecular (ambas muy raras). Sin embargo, siempre se llevan todos los recursos necesarios, p. Ej. B. el oxígeno necesario para quemar el combustible. Por lo tanto, el motor también puede funcionar en vacío .

Las siguientes tres formas de propulsores químicos (basados ​​en la combustión de oxígeno) son comunes y difieren en el estado de almacenamiento del equipo operativo:

Propulsión sólida

El tanque de combustible también es la cámara de combustión. Se hace una distinción entre los quemadores frontales, en los que el bloque de combustible cilíndrico arde desde el extremo (superficie de combustión constante y circular), y los quemadores centrales, en los que pasa un canal de combustión con una sección transversal cilíndrica, en forma de estrella o prismática. en toda la longitud del bloque de combustible y se quema desde el interior (Superficie focal en forma de camisa prismática, dependiendo de la sección transversal del canal, hay una curva del contenido de la superficie focal). Los quemadores de la frente desarrollan un empuje bajo durante mucho tiempo, los quemadores centrales un empuje muy alto durante un tiempo mucho más corto; Por lo tanto, los llamados boosters se diseñan generalmente como quemadores centrales.

Se pueden derivar varias propiedades de la consistencia del combustible. No necesita líneas de alimentación, válvulas de control o bombas, porque la masa de reacción ya está en la cámara de combustión. Los misiles militares casi siempre están diseñados como cohetes de combustible sólido. Otra ventaja de los cohetes de combustible sólido es el alto empuje que se puede lograr. Sin embargo, las desventajas incluyen una mala regulación del empuje y el tiempo de trabajo. La combustión ya no se puede interrumpir ni reiniciar después del encendido.

La ventaja más importante de cohetes sólidos, sin embargo, es el alto empuje, los propulsores de combustible sólido de la nave espacial con un empuje máximo de 14,5  meganewtons son los motores de cohetes de gran alcance la mayoría cada vez que se utilizan para este día. El motor de líquido más grande, el F-1 de la Saturno V , alcanzó un máximo de alrededor de 6,9 meganewtons.

Propulsor líquido

RD-171 (modelo), el propulsor líquido más potente de la historia
Un motor RS-68 en una prueba de funcionamiento

La estructura de los motores de cohetes líquidos permite la regulación del empuje, largas horas de trabajo y una reutilización relativamente barata. En el caso de los motores de cohetes líquidos, el combustible y (a menos que sea un motor monergol) el oxidante se almacenan fuera del motor. También pueden diseñarse para volver a encenderse con poco esfuerzo adicional, de modo que el motor pueda tener varias fases de combustión durante el vuelo.

Los materiales operativos son a menudo productos químicos muy agresivos o gases licuados fríos. Ambos deben almacenarse en tanques especiales resistentes a la corrosión o aislados para evitar que los gases se evaporen o ataquen las paredes del contenedor.

Dado que los propulsores deben almacenarse y transportarse, un cohete de propulsor líquido suele ser mucho más complicado en su construcción que un cohete de combustible sólido. Los combustibles, en su mayoría de alta energía, provocan temperaturas de hasta 4000 Kelvin en la cámara de combustión, lo que requiere el uso de materiales altamente resistentes al calor y un enfriamiento eficiente. Se pueden usar oxidante y combustible para enfriar. Debido a la alta presión bajo la cual los gases están en forma líquida, varios componentes se pueden enfriar usando intercambiadores de calor debido a la baja temperatura.

Extracción de combustible

En un motor de cohete líquido, el combustible o los combustibles deben transportarse a la cámara de combustión contra la presión que prevalece allí.

  • Con el principio de suministro de gas presurizado, los tanques están presurizados (generalmente con helio u otro gas inerte). Esto limita la presión de la cámara de combustión y, por lo tanto, solo es adecuado para sistemas de baja potencia, pero aumenta la confiabilidad ya que se requieren menos piezas.
  • El suministro de la bomba permite altas presiones y salidas sin que toda la estructura del tanque tenga que diseñarse para la presión de la cámara de combustión. La mayor complejidad de estos sistemas es una desventaja. Las bombas pueden funcionar, por ejemplo, con combustibles auxiliares o directamente con los combustibles principales a través de una turbina, por lo que se hace la siguiente distinción adicional:
Flujo principal o secundario

En el caso de los motores de cohete líquido con suministro de bomba, se puede hacer una distinción entre motores de flujo principal y de derivación:

  • Con los motores de corriente principal , todos los propulsores se alimentan a través de la cámara de combustión (principal). Las turbinas para el suministro de combustible son impulsadas por un componente de combustible calentado en el sistema de enfriamiento del motor ( ciclo de expansión ) o por un gas de trabajo generado en una cámara de precombustión ( ciclo de combustión por etapas ).
  • En el caso de los motores de derivación , las partes de los propulsores que se utilizan para hacer funcionar las turbinas de propulsión no pasan a través de la cámara de combustión principal. El ciclo del generador de gas es un diseño del motor de derivación . Aquí, para impulsar las bombas de combustible, parte del combustible se quema en un generador de gas y el gas de trabajo se expande en una boquilla paralela al motor principal o se alimenta a la corriente principal. en la parte divergente de la boquilla principal. El ciclo de cobertura es otra forma , aquí el flujo de combustible se divide en dos hebras. La corriente más pequeña fluye a través del enfriamiento del motor, impulsa las turbinas de las bombas de combustible y se alimenta a la corriente principal en el área divergente de la boquilla principal.

Motor de cohete híbrido

Los componentes propulsores sólidos y líquidos se utilizan en motores de cohetes híbridos . El combustible líquido se alimenta al propulsor sólido de manera regulada, lo que permite un mejor control sobre la velocidad y la duración de trabajo que con las unidades de propulsión de sólidos puros.

Un motor de este tipo se utiliza, por ejemplo, en SpaceShipOne , un cohete de desarrollo privado que, en 2003, fue la primera empresa privada en impulsar a una persona al espacio (a una altitud de más de 100 km). La mezcla de cámara de combustión de combustible sólido y un oxidante de gas licuado simple ( óxido nitroso ) resultó ser particularmente económica.

Sistemas de control

Hay varias formas de influir en el vector de empuje de un motor de cohete:

  • Deflexión del haz (por ejemplo, como por propulsores o flaps) en patrones tempranos como el A4 utilizado
  • Girar el chorro de empuje (girando el motor con cámara de combustión) es el método más utilizado
  • combustión asimétrica (por ejemplo, inyección de combustible secundario en el chorro de empuje).

Combustibles

Existe una amplia gama de combustibles para motores de cohetes; En los sistemas de combustibles químicos, generalmente se hace una distinción según el tipo de combustible en combustibles sólidos, líquidos o híbridos o según el número de sustancias de reacción involucradas en el proceso de combustión: monergol (1 químico), diergol (2 químicos) o triergol (3 productos químicos).

Motor de cohete solar térmico

Se está desarrollando un motor solar térmico, Solar Orbit Transfer Vehicle, SOTV, para el cambio de LEO a GEO . Dos espejos parabólicos inflables concentran la radiación solar en un bloque de grafito a través del cual pasa el hidrógeno , que luego se calienta a alrededor de 2400 Kelvin .

Motor de cohete eléctrico

Los sistemas de propulsión eléctrica para viajes espaciales utilizan energía eléctrica para generar empuje. Dado que solo generan una pequeña cantidad de empuje, no se pueden usar para lanzadores , pero hasta ahora solo se han usado en satélites y sondas.

Las ventajas y desventajas de los accionamientos eléctricos son:

  • Impulso específico muy alto posible (velocidad de salida del combustible).
  • Se puede lograr un nivel de empuje comparativamente bajo, por lo que comenzar desde la superficie de la tierra no es posible de forma puramente eléctrica.
  • Un empuje bajo conduce a maniobras de control de posición precisas, p. Ej. B. para satélites de observación.
  • La potencia está limitada por la energía eléctrica que puede proporcionar la nave espacial.
  • Los cambios de dirección a corto plazo son difíciles debido al largo tiempo de combustión con poco empuje.

Debido a los diferentes tipos de construcción y métodos de generación de empuje, los accionamientos eléctricos se diferencian aún más. La división se basa en el principio funcional en a) accionamientos electrotérmicos, b) electrostáticos yc) electromagnéticos. Dependiendo del tipo de generación de energía eléctrica, una distinción todavía se hace entre -solares eléctricas y nucleares eléctricos sistemas.

Accionamiento electrotérmico

El combustible (gaseoso) se calienta con la ayuda de un calentamiento por resistencia o un arco eléctrico y luego se acelera por medio de una boquilla. Se puede generar un empuje comparativamente alto debido a las altas temperaturas, aunque esto está limitado por el bajo flujo másico. Gases con masa molar baja , como. B. hidrógeno o amoniaco . La eficiencia de la energía eléctrica para calefacción es relativamente baja.

Los propulsores con calentamiento por resistencia se denominan chorros de resistencia , los que tienen calentamiento por arco se denominan chorros de arco .

El empuje alcanzable de un accionamiento electrotérmico es bajo, unos 100 mN. La velocidad de flujo de salida está típicamente en el rango de 10,000 a 30,000 m / s.

Accionamiento electromagnético

Al igual que con la propulsión electrotérmica, el combustible o la masa de soporte se calienta con la ayuda de un calentamiento por resistencia o un arco eléctrico . Sin embargo, un impulsor electromagnético acelera el plasma generado (≈ 10,000 K) en un campo magnético ( fuerza de Lorentz ) en lugar de hacerlo con una boquilla.

El empuje alcanzable de un accionamiento electromagnético es muy bajo y está en el rango de mN. Esto requiere energía eléctrica en el rango de kW.

La eficacia de los motores de plasma depende del combustible utilizado. Se utilizan la mayoría de los combustibles con una masa molar baja , p. Ej. B. hidrógeno, cuyo almacenamiento es caro.

Accionamiento electrostático

Prueba de funcionamiento de un motor de iones

En el caso de los motores electrostáticos, el empuje se genera por evaporación de la masa de soporte, si no es ya gaseosa, ionización de los átomos y aceleración de los iones en un campo eléctrico. Para evitar la carga eléctrica del motor, es necesario neutralizar la masa de soporte detrás de la sección de aceleración agregando los electrones eliminados durante la ionización . El empuje por ion y, por lo tanto, la eficiencia aumenta con la masa de los iones acelerados, razón por la cual los impulsores de iones utilizan iones de elementos relativamente pesados. El pesado y costoso xenón de gas noble casi siempre se utiliza hoy en día debido a su inercia y facilidad de transporte .

La eficiencia de estos accionamientos es relativamente alta, al igual que la velocidad de descarga. Sin embargo, las fuerzas de empuje que se pueden lograr son muy bajas y están en el rango de mN.

Motor de cohete nuclear

Motor de cohete de fisión nuclear NERVA (NASA)
Esquema de un motor de cohete nuclear.

La propulsión espacial nuclear incluye todos los sistemas de propulsión que se operan con la ayuda de reacciones nucleares. La energía nuclear se puede generar básicamente por fisión o fusión . Las densidades de potencia que se pueden lograr de esta manera son por el factor (fisión nuclear) o (fusión nuclear) mayor que la de los impulsores químicos. Todavía se está trabajando en la fusión nuclear, por ejemplo en el ITER .

Sin embargo, hasta el día de hoy, solo la fisión nuclear se ha implementado y dominado técnicamente, y solo se han desarrollado y probado sistemas de propulsión basados ​​en ella, por ejemplo, entre 1954 y 1972 en NERVA . En las pruebas, aquí se logró un impulso específico de 825 s, en contraste con los 452 s de los motores de combustible líquido actuales, como el del transbordador espacial .

Hasta ahora, no se ha utilizado ningún sistema de propulsión nuclear para uso operativo en el sentido de una misión espacial , ya que hasta ahora no parece ser utilizable por razones ecológicas o políticas.

Incluso los propulsores de cohetes nucleares planeados y diseñados para uso militar no fueron más allá del estado de prototipo . El para los misiles intercontinentales planeados que Plutón desarrolló nuclear Ramjet -Triebwerk Tory IIC en 1964 probado por segunda y última vez. El proyecto correspondiente finalizó el 1 de julio de 1964.

Todos los sistemas o conceptos de propulsión nuclear tienen en común que la energía generada en el proceso nuclear se transfiere a una masa de soporte y esta se relaja en una boquilla . La única excepción a esta regla fue el concepto de propulsión nuclear por pulsos , donde las bombas atómicas debían detonarse fuera de la nave espacial y el pulso del plasma impactaba en la nave espacial utilizada para la aceleración, ver proyecto Orion .

A partir de 2003, la NASA volvió a pensar en el proyecto Prometheus . El objetivo es un propulsor nuclear que permitirá misiones de sonda a los planetas centrales del sistema solar, por ejemplo para el programa JIMO . La energía eléctrica generada por la energía nuclear se convertirá aquí a través de un motor de iones .

En octubre de 2009, la agencia espacial rusa Roskosmos anunció que en 1954 comenzó a desarrollar un reactor nuclear de gas ( Nuclear Reactor Core gas - resume NGCR). El motor utiliza uranio altamente enriquecido en fase gaseosa de plasma a una presión de 1000 bar y temperaturas de hasta 70.000 Kelvin. El hidrógeno se utilizará como combustible, complementado con metales alcalinos como el litio para promover la transferencia de energía de la radiación. Se dice que el plan del proyecto se desarrolló en 2012, el desarrollo puede llevar 9 años, con un presupuesto de 17 mil millones de rublos (580 millones de dólares). Se supone que el motor creará las condiciones para una misión tripulada a Marte .

Boquilla de empuje de un motor de gas frío de un cohete amateur

En 2021, DARPA otorgó contratos a empresas estadounidenses para desarrollar nuevos sistemas de propulsión para cohetes alrededor del espacio sublunar. General Atomics , Blue Origin y Lockheed Martin recibieron subvenciones de investigación para desarrollar un sistema de propulsión nuclear para una nave espacial a finales de 2022. Luego debería haber una invitación a licitar, que debería resultar en un vuelo de prueba en el espacio en 2025.

Motor de gas frío

Con el impulsor de gas frío, un gas presurizado, generalmente nitrógeno , se libera de un recipiente a presión a través de boquillas. Debido al bajo impulso específico , esta unidad se utiliza principalmente para estabilizar la posición de satélites pequeños y económicos.

Eficiencia de propulsión de cohetes

Relación de velocidad ve / vg y eficiencia en función de la relación de masa

Para determinar el grado de eficiencia, asumimos que una energía separa la masa de combustible y la masa restante del vehículo (estructura, carga útil, etc.). La energía cinética se obtiene para la velocidad de interés del cohete después de la fase de propulsión.

Además, debido a la conservación del impulso, se aplica la siguiente relación con la velocidad del combustible:

Desplegado y disuelto de acuerdo con la energía del cohete, obtienes

Con la introducción de la relación de masa (masa inicial / masa final) y en base a la energía total disponible, se obtiene

Sin embargo, se supone que toda la energía se convierte en velocidad de un solo golpe. En realidad, esto no se puede lograr, más bien se pierde una parte sustancial de la energía utilizada para acelerar el combustible aún sin quemar. Por lo tanto, se integra de manera análoga al procedimiento para la ecuación básica del cohete y se obtiene nuevamente de la relación con la energía total

La función correspondiente muestra un máximo claro en una relación de masa de poco menos de 5, pero incluso entonces solo alcanza un poco menos del 40%.

prueba

El Centro Aeroespacial Alemán opera el “ Centro Europeo de Propulsión Espacial ” en Lampoldshausen , donde, por ejemplo, se prueba el motor de escenario principal Vulcain 2.1 para Ariane 6 , el motor de cohete más poderoso de Europa hasta la fecha (a fecha 10/2018).

Ver también

enlaces web

literatura

Evidencia individual

  1. ↑ Koroteev, Son: Development Nuclear Gas Core Reactor in Russia ( Memento del 30 de septiembre de 2007 en Internet Archive ) (PDF; 91 kB), 45a Reunión de Ciencias Aeroespaciales de la AIAA, enero de 2007
  2. ↑ dailytech.com: Rusia está desarrollando una nave espacial de fisión nuclear para llegar al planeta rojo ( Memento del 20 de agosto de 2017 en Internet Archive ), 29 de octubre de 2009
  3. ↑ https://www.heise.de/news/USA-Blue-Origin-soll-Raumschiff-mit-Kernenergieantrieb-entwickeln-6015236.html
  4. ↑ Spacecraft Propulsion - Chemical ( Memento del 4 de octubre de 2015 en Internet Archive )
  5. ^ TU Delft: Sistemas de gas frío ( Memento del 8 de noviembre de 2006 en Internet Archive )