PROPELENTES - NASA

6. PROPELENTESA. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS PROPELENTES DE COHETES

Los propelentes químicos de uso común entregan valores de impulso específicos que van desde alrededor de 175 hasta alrededor de 300 segundos. Los propulsores químicos más energéticos son teóricamente capaces de impulsos específicos de hasta unos 400 segundos.

Los valores altos de impulso específico se obtienen a partir de una alta temperatura de los gases de escape y de gases de escape que tienen un peso (molecular) muy bajo. Por lo tanto, para ser eficiente, un propulsor debe tener un gran calor de combustión para producir altas temperaturas, y debe producir productos de combustión que contengan moléculas simples y livianas que incorporen elementos tales como hidrógeno (el más liviano), carbono, oxígeno, flúor y los metales más livianos. (aluminio, berilio, litio).

Otro factor importante es la densidad de un propelente. Un peso dado de propelente denso se puede transportar en un tanque más pequeño y liviano que el mismo peso de un propulsor de baja densidad. El hidrógeno líquido, por ejemplo, es energético y sus gases de combustión son ligeros. Sin embargo, es una sustancia muy voluminosa que requiere grandes tanques. El peso muerto de estos tanques compensa en parte el alto impulso específico del propulsor de hidrógeno.

También se deben considerar otros criterios al elegir los propulsores. Algunos productos químicos que producen un impulso específico excelente crean problemas en el funcionamiento del motor. Algunos no son adecuados como refrigerantes para las paredes calientes de la cámara de empuje. Otros exhiben peculiaridades en la combustión que hacen difícil o imposible su uso. Algunos son inestables en diversos grados y no se pueden almacenar ni manipular de forma segura. Tales características inhiben su uso para la propulsión de cohetes.

Desafortunadamente, casi cualquier propulsor que proporcione un buen rendimiento puede ser una sustancia química muy activa; por lo tanto, la mayoría de los propelentes son corrosivos, inflamables o tóxicos, y con frecuencia son los tres. Uno de los propulsores líquidos más tratables es la gasolina. Pero si bien es comparativamente simple de usar, la gasolina es, por supuesto, altamente inflamable y debe manejarse con cuidado. Muchos propulsores son altamente tóxicos, incluso en mayor grado que la mayoría de los gases de guerra; algunos son tan corrosivos que solo se pueden usar unas pocas sustancias especiales para contenerlos; algunos pueden quemarse espontáneamente al entrar en contacto con el aire, o al entrar en contacto con cualquier sustancia orgánica, o en ciertos casos al entrar en contacto con la mayoría de los metales comunes.

También es esencial para la elección de un propulsor de cohetes su disponibilidad. En algunos casos, para obtener cantidades adecuadas de un propulsor, se debe construir una planta química completamente nueva. Y debido a que algunos propelentes se usan en cantidades muy grandes, se debe considerar la disponibilidad de materias primas.

42ASTRONÁUTICA Y SUS APLICACIONES 43B. PROPELENTES QUÍMICOS SÓLIDOS

Se utilizan dos tipos generales de propulsores sólidos. El primero, el llamado propulsor de doble base, consiste en nitrocelulosa y nitroglicerina, más aditivos en pequeña cantidad. No hay combustible y oxidante separados. Las moléculas son inestables y, al encenderse, se rompen y se reorganizan, liberando grandes cantidades de calor. Estos propulsores se prestan bien a motores de cohetes más pequeños. A menudo se procesan y forman mediante métodos de extrusión, aunque también se ha empleado la fundición.

El otro tipo de propelente sólido es el compuesto. Aquí, se utilizan combustibles separados y productos químicos oxidados, íntimamente mezclados en el grano sólido. El oxidante suele ser nitrato de amonio, clorato de potasio o clorato de amonio y, a menudo, comprende hasta cuatro quintas partes o más de la mezcla propulsora total. Los combustibles utilizados son hidrocarburos, como compuestos de tipo asfáltico, o plásticos. Debido a que el comburente no tiene una fuerza estructural significativa, el combustible no solo debe funcionar bien, sino que también debe proporcionar la forma y rigidez necesarias al grano. Gran parte de la investigación en propulsores sólidos se dedica a mejorar las propiedades físicas y químicas del combustible.

Normalmente, en el procesamiento de propulsores sólidos, los componentes combustible y oxidante se preparan por separado para mezclarlos, siendo el oxidante un polvo y el combustible un fluido de consistencia variable. Luego se mezclan bajo condiciones cuidadosamente controladas y se vierten en la caja del cohete preparada como un semisólido viscoso. Luego se les hace fraguar en cámaras de curado bajo temperatura y presión controladas.

Los propulsores sólidos ofrecen la ventaja de un mantenimiento mínimo y una preparación instantánea. Sin embargo, los sólidos más energéticos pueden requerir condiciones de almacenamiento cuidadosamente controladas y pueden presentar problemas de manejo en los tamaños muy grandes, ya que el cohete siempre debe transportarse completamente cargado. La protección contra choques mecánicos o cambios bruscos de temperatura que puedan agrietar el grano es fundamental.

C. BIPROPELENTES QUÍMICOS LÍQUIDOS

La mayoría de los cohetes químicos líquidos usan dos propulsores separados: un combustible y un oxidante. Los combustibles típicos incluyen queroseno, alcohol, hidracina y sus derivados e hidrógeno líquido. Muchos otros han sido probados y utilizados. Los oxidantes incluyen ácido nítrico, tetróxido de nitrógeno, oxígeno líquido y flúor líquido. Algunos de los mejores oxidantes son gases licuados, como el oxígeno y el flúor, que existen como líquidos solo a temperaturas muy bajas; esto aumenta en gran medida la dificultad de su uso en cohetes. La mayoría de los combustibles, con la excepción del hidrógeno, son líquidos a temperaturas ordinarias.

Ciertas combinaciones de propulsores son hipergólicas; es decir, se encienden espontáneamente al contacto del combustible y el comburente. Otros requieren un encendedor para que empiecen a arder, aunque seguirán ardiendo cuando se inyecten en la llama de la cámara de combustión.

En general, los propulsores líquidos de uso común producen impulsos específicos superiores a los de los sólidos disponibles. Por otro lado, requieren sistemas de motores más complejos para transferir los propulsores líquidos

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a la cámara de combustión. En la tabla 1 se proporciona una lista que muestra el rendimiento de los propulsores sólidos y líquidos.

TABLA 1.-Impulso específico de algunos propulsores químicos típicos 1Combinaciones de propulsores: Gama IspMonopropulsores (líquidos):(seg)Monopropulsores de baja energía________________________ 160 a 190.HidrazinaÓxido de etilenoPeróxido de hidrógenoMonopropulsores de alta energía:Nitrometano_______________________________ 190 a 230Bipropulsores (líquidos):Bipropulsores de baja energía___________________________ 200 a 230.Fluoruro de percloro-Combustible disponibleAnalina-ÁcidoJP-4-Ácido Peróxido de hidrógeno-JP-4Bipropelentes de energía media________________________ 230 a 260.Hidrazina-ÁcidoAmoníaco-Tetróxido de nitrógenoBipropelentes de alta energía___________________________ 250 a 270.Oxígeno líquido-JP-4Oxígeno líquido-AlcoholHidrazina- Trifluoruro de cloroBipropulsores de muy alta energía_______________________ 270 a 330.Oxígeno líquido y flúor-JP-4Oxígeno líquido y ozono-JP-4Oxígeno líquido-HidrazinaBipropelentes de súper alta energía_______________________ 300 a 385.Fluor-HidrógenoFluorine-AmoníacoOzono-HydrogenFluorine-DiboraneOxidizer-b Combinaciones inferiores (sólidas): perclorato de potasio: tiokol o asfalto_____________________________ 170 a 210. .Nitropolímero_________________________________ 210 a 250.Doble base_______________________________________ 170 a 250.Componentes de metal de boro y oxidante__________________ 200 a 250.Componentes de metal de litio y oxidante___________________ 200 a 250.Componentes de metal de aluminio y oxidante_________________ 200 a 250.Componentes de metal de magnesio y oxidante________________ 200 a 250.Tipo perfluoro propulsores________________________ 250 y superiores.1 Algunas consideraciones relativas a la navegación espacial, Aerojet-G Corporación General. Rep. Especial N° 1460, mayo de 1958.

El oxígeno líquido es el oxidante estándar utilizado en los motores de cohetes más grandes de los Estados Unidos. Es químicamente estable y no corrosivo, pero su temperatura extremadamente baja dificulta el bombeo, las válvulas y el almacenamiento. Si se pone en contacto con materiales orgánicos, puede provocar un incendio o una explosión.

El ácido nítrico y el tetróxido de nitrógeno son productos químicos industriales comunes. Aunque son corrosivos para algunas sustancias, hay materiales disponibles que contienen estos fluidos de manera segura. El tetróxido de nitrógeno, dado que hierve a temperaturas bastante bajas, debe protegerse hasta cierto punto.

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El flúor líquido es una sustancia de muy baja temperatura, comparable con el oxígeno líquido, y también es altamente tóxico y corrosivo. Además, sus productos de combustión son extremadamente corrosivos y peligrosos; por lo tanto, el uso de flúor plantea problemas al probar y operar motores de cohetes.

La mayoría de los combustibles líquidos, con la excepción del hidrógeno, son muy similares en rendimiento y manejo. Suelen ser sustancias bastante tratables. El hidrógeno, sin embargo, existe como líquido sólo a temperaturas extremadamente bajas, incluso más bajas que el oxígeno líquido; por lo tanto, es muy difícil de manipular y almacenar. Además, si se le permite escapar al aire, puede formar una mezcla altamente explosiva. Es una sustancia muy voluminosa, aproximadamente un catorceavo de la densidad del agua. No obstante, ofrece el mejor rendimiento de cualquiera de los combustibles líquidos.

D. MONOPROPELENTES LÍQUIDO-QUÍMICOS

Ciertos productos químicos líquidos e inestables que, en condiciones adecuadas, se descomponen y liberan energía, se han probado como propulsores de cohetes. Su desempeño, sin embargo, es inferior al de los bipropulsores o propulsores sólidos modernos, y son de mayor interés en aplicaciones más bien especializadas, como pequeños cohetes de control. Ejemplos destacados de este tipo de propulsores son el peróxido de hidrógeno y el óxido de etileno.1

E. COMBINACIONES DE TRES O MÁS PROPELENTES QUÍMICOS

El uso de más de dos productos químicos como propulsores en cohetes nunca ha recibido mucha atención y no se considera ventajoso en la actualidad. Ocasionalmente, se usa un propulsor separado para operar el generador de gas que suministra el gas para impulsar las turbobombas de los cohetes de líquido. En el V-2, por ejemplo, el peróxido de hidrógeno se descomponía para suministrar el gas caliente a las principales turbobombas, aunque los propulsores principales de los cohetes eran el alcohol y el oxígeno líquido.

F. PROPELENTES DE RADICALES LIBRES

Si ciertas moléculas se rompen, entregarán grandes cantidades de energía al recombinarse. Se ha propuesto que tales fragmentos inestables, llamados radicales libres, se utilicen como propulsores de cohetes. La dificultad es, sin embargo, que estas especies tienden a recombinarse tan pronto como se forman; por lo tanto, un problema central en su uso es el desarrollo de un método de estabilización. El hidrógeno atómico es la más prometedora de estas sustancias. El uso de hidrógeno atómico podría generar un impulso específico de alrededor de 1200 a 1400 segundos.2

G. FLUIDOS DE TRABAJO PARA COHETES NO QUÍMICOS

Dispositivos tales como el cohete nuclear deben usar alguna sustancia química como fluido de trabajo o propulsor, aunque ninguna reacción química suministra energía al cohete. Todo el calor proviene del reactor. Dado que la consideración principal es minimizar el peso molecular de los gases de escape, el hidrógeno líquido es la mejor sustancia considerada hasta ahora.

1 North American Aviation, Inc., comunicado de prensa NL-45, 15 de octubre de 1958.

2 Propulsión en el espacio ultraterrestre usando energía nuclear, audiencias ante los subcomités del Comité Conjunto sobre Energía Atómica, Congreso de los Estados Unidos 85º Congreso, 2.ª sesión, 22, 23 de enero y 6 de febrero de 1958, Teniente Coronel P. Atkinson , pags. 145.

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, y no parece probable que se pueda encontrar ninguna sustancia con un rendimiento superior. Los problemas de manejo del hidrógeno líquido son los mismos para el cohete nuclear que para el cohete químico.

Otra sustancia mencionada para su uso como propulsor en el cohete nuclear es el amoníaco. Si bien ofrece solo alrededor de la mitad del impulso específico del hidrógeno para la misma temperatura del reactor como consecuencia de su mayor peso molecular, es un líquido a temperaturas razonables y se maneja fácilmente. Su densidad también es mucho mayor que la del hidrógeno, siendo casi la misma que la de la gasolina.

Los propulsores que serían adecuados para su uso en dispositivos de propulsión eléctrica son los metales que se ionizan fácilmente. El más generalmente considerado es el cesio; los siguientes mejores son rubidio, potasio, sodio y litio.

H. EMPAQUETADO DE PROPELENTE NO CONVENCIONAL

Algunos enfoques no convencionales en el campo de los propulsores incluyen los siguientes:

3 Estudio de combustible líquido encapsulado iniciado, Aviation Week, vol. 69, núm. 19, 10 de noviembre de 1958, pág. 29

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