PROPELENTES - NASA

6. PROPELENTES. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PROPELENTES DE FOGUETE

Propulsores químicos de uso comum fornecem valores de impulso específicos que variam de cerca de 175 até cerca de 300 segundos. Os propulsores químicos mais energéticos são teoricamente capazes de impulsos específicos de até cerca de 400 segundos.

Altos valores de impulso específico são obtidos a partir de alta temperatura dos gases de escape e de gases de escape com peso (molecular) muito baixo. Para ser eficiente, portanto, um propelente deve ter um grande calor de combustão para produzir altas temperaturas, e deve produzir produtos de combustão contendo moléculas simples e leves, incorporando elementos como hidrogênio (o mais leve), carbono, oxigênio, flúor e os metais mais leves. (alumínio, berílio, lítio).

Outro fator importante é a densidade de um propelente. Um determinado peso de propelente denso pode ser transportado em um tanque menor e mais leve do que o mesmo peso de um propulsor de baixa densidade. O hidrogênio líquido, por exemplo, é energético e seus gases de combustão são leves. No entanto, é uma substância muito volumosa, exigindo grandes tanques. O peso morto desses tanques compensa parcialmente o alto impulso específico do propulsor de hidrogênio.

Outros critérios também devem ser considerados na escolha dos propelentes. Alguns produtos químicos que produzem excelente impulso específico criam problemas na operação do motor. Alguns não são adequados como refrigerantes para as paredes quentes da câmara de empuxo. Outros apresentam peculiaridades na combustão que dificultam ou impossibilitam seu uso. Alguns são instáveis ​​em graus variados e não podem ser armazenados ou manuseados com segurança. Tais características inibem seu uso para propulsão de foguetes.

Infelizmente, quase todos os propulsores que apresentam bom desempenho tendem a ser um produto químico muito ativo; portanto, a maioria dos propulsores são corrosivos, inflamáveis ​​ou tóxicos, e geralmente são os três. Um dos propulsores líquidos mais tratáveis ​​é a gasolina. Mas, embora seja relativamente simples de usar, a gasolina é, obviamente, altamente inflamável e deve ser manuseada com cuidado. Muitos propulsores são altamente tóxicos, em maior grau até do que a maioria dos gases de guerra; alguns são tão corrosivos que apenas algumas substâncias especiais podem ser usadas para contê-los; alguns podem queimar espontaneamente ao entrar em contato com o ar, ou ao entrar em contato com qualquer substância orgânica ou, em certos casos, ao entrar em contato com os metais mais comuns.

Também essencial para a escolha de um propulsor de foguete é a sua disponibilidade. Em alguns casos, para obter quantidades adequadas de um propelente, uma nova fábrica química inteira deve ser construída. E porque alguns propulsores são usados ​​em quantidades muito grandes, a disponibilidade de matérias-primas deve ser considerada.

42ASTRONÁUTICA E SUAS APLICAÇÕES 43B. PROPELENTES QUÍMICOS SÓLIDOS

Dois tipos gerais de propelentes sólidos estão em uso. O primeiro, o chamado propulsor de base dupla, é composto por nitrocelulose e nitroglicerina, além de aditivos em pequena quantidade. Não há combustível e oxidante separados. As moléculas são instáveis ​​e, na ignição, se separam e se reorganizam, liberando grandes quantidades de calor. Esses propulsores se prestam bem a motores de foguete menores. Eles são frequentemente processados ​​e formados por métodos de extrusão, embora a fundição também tenha sido empregada.

O outro tipo de propelente sólido é o composto. Aqui, combustível separado e produtos químicos oxidados são usados, intimamente misturados no grão sólido. O oxidante é geralmente nitrato de amônio, clorato de potássio ou clorato de amônio, e muitas vezes compreende até quatro quintos ou mais de toda a mistura propulsora. Os combustíveis utilizados são hidrocarbonetos, como compostos do tipo asfáltico ou plásticos. Como o oxidante não possui resistência estrutural significativa, o combustível deve não apenas ter um bom desempenho, mas também fornecer a forma e a rigidez necessárias ao grão. Grande parte da pesquisa em propelentes sólidos é dedicada a melhorar as propriedades físicas e químicas do combustível.

Normalmente, no processamento de propulsores sólidos, os componentes combustível e oxidante são preparados separadamente para mistura, sendo o oxidante um pó e o combustível um fluido de consistência variável. Eles são então misturados sob condições cuidadosamente controladas e despejados na caixa de foguete preparada como um semi-sólido viscoso. Eles são então colocados em câmaras de cura sob temperatura e pressão controladas.

Propulsores sólidos oferecem a vantagem de manutenção mínima e prontidão instantânea. No entanto, os sólidos mais energéticos podem exigir condições de armazenamento cuidadosamente controladas, e podem oferecer problemas de manuseio nos tamanhos muito grandes, uma vez que o foguete deve sempre ser transportado totalmente carregado. A proteção contra choques mecânicos ou mudanças bruscas de temperatura que podem quebrar o grão é essencial.

C. BIPROPELENTES QUÍMICOS LÍQUIDOS

A maioria dos foguetes químicos líquidos usa dois propulsores separados: um combustível e um oxidante. Combustíveis típicos incluem querosene, álcool, hidrazina e seus derivados e hidrogênio líquido. Muitos outros foram testados e usados. Os oxidantes incluem ácido nítrico, tetróxido de nitrogênio, oxigênio líquido e flúor líquido. Alguns dos melhores oxidantes são gases liquefeitos, como oxigênio e flúor, que existem como líquidos apenas em temperaturas muito baixas; isso aumenta muito a dificuldade de seu uso em foguetes. A maioria dos combustíveis, com exceção do hidrogênio, são líquidos em temperaturas normais.

Certas combinações de propulsores são hipergólicas; isto é, inflamam-se espontaneamente ao contato do combustível e do oxidante. Outros requerem um ignitor para começar a queimar, embora continuem a queimar quando injetados na chama da câmara de combustão.

Em geral, os propulsores líquidos de uso comum produzem impulsos específicos superiores aos dos sólidos disponíveis. Por outro lado, eles exigem sistemas de motores mais complexos para transferir os propulsores líquidos

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para a câmara de combustão. Uma lista mostrando o desempenho de propulsores sólidos e líquidos é fornecida na tabela 1.

TABELA 1.-Impulso específico de alguns propelentes químicos típicos 1Combinações de propulsores: Isp RangeMonopropelentes (líquido):(s)Monopropelentes de baixa energia________________________ 160 a 190.HidrazinaÓxido de etilenoPeróxido de hidrogênioMonopropelentes de alta energia:Nitrometano_______________________________ 190 a 230Bipropulsores (líquidos):Bipropelentes de baixa energia____________________________________ 200 a 230.Flúor de percloril-Combustível disponívelAnalina-ÁcidoJP-4-ÁcidoPeróxido de hidrogênio-JP-4Bipropulsores de energia média________________________ 230 a 260.Ácido de hidrazinaAmoníaco-Tetróxido de nitrogênioBipropelentes de alta energia___________________________ 250 a 270.Oxigênio líquido-JP-4Oxigênio líquido-Álcool Hidrazina Trifluoreto de cloroBipropelentes de alta energia_______________________ 270 a 330.Oxigênio líquido e flúor-JP-4Oxigênio líquido e ozônio-JP-4Oxigênio líquido-HidrazinaBipropulsores de super alta energia________________ 300 a 385.Flúor-HidrógenoFlúor-AmôniaOzônio-HidrogênioFlúor-DiboranoOxidador-b Combinações de 1 ano (sólido):Perclorato de potássio:Tiokol ou asfalto________________________ 170 a 210.Perclorato de amônio:Tiocol_____________________________________ 170 a 210.Borracha_____________________________________ 170 a 210.Poliuretano_____________________________________ 210 a 250.Nitropolímero_________________________________ 210 a 250.Nitrato de amônio:Poliéster_____________________________________ 170. .Nitropolímero_________________________________ 210 a 250.Base dupla_______________________________________ 170 a 250.Componentes de metal de boro e oxidante____________________ 200 a 250.Componentes de metal de lítio e oxidante___________________ 200 a 250.Componentes de metal de alumínio e oxidante_________________ 200 a 250.Componentes de metal de magnésio e oxidante________________ 200 a 250.Tipo perfluoro propulsores____________________________ 250 e acima.1 Algumas Considerações Relativas à Navegação Espacial, Aerojet-G eneral Corp.. Representante Especial. Nº 1460, maio de 1958.

O oxigênio líquido é o oxidante padrão usado nos maiores motores de foguete dos Estados Unidos. É quimicamente estável e não corrosivo, mas sua temperatura extremamente baixa dificulta o bombeamento, a válvula e o armazenamento. Se colocado em contato com materiais orgânicos, pode causar incêndio ou explosão.

O ácido nítrico e o tetróxido de nitrogênio são produtos químicos industriais comuns. Embora sejam corrosivos para algumas substâncias, existem materiais disponíveis que contêm esses fluidos com segurança. O tetróxido de nitrogênio, uma vez que ferve a temperaturas bastante baixas, deve ser protegido até certo ponto.

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O flúor líquido é uma substância de temperatura muito baixa, comparável ao oxigênio líquido, e também altamente tóxico e corrosivo. Além disso, seus produtos de combustão são extremamente corrosivos e perigosos; portanto, o uso de flúor levanta problemas no teste e operação de motores de foguete.

A maioria dos combustíveis líquidos, com exceção do hidrogênio, são semelhantes em desempenho e manuseio. Geralmente são substâncias bastante tratáveis. O hidrogênio, no entanto, existe como um líquido apenas em temperaturas extremamente baixas - mais baixas até do que o oxigênio líquido; portanto, é muito difícil de manusear e armazenar. Além disso, se permitido escapar para o ar, pode formar uma mistura altamente explosiva. É uma substância muito volumosa, cerca de um décimo quarto da densidade da água. No entanto, oferece o melhor desempenho de qualquer um dos combustíveis líquidos.

D. MONOPROPELENTES LÍQUIDO-QUÍMICOS

Certos produtos químicos líquidos instáveis ​​que, em condições adequadas, se decompõem e liberam energia, foram testados como propulsores de foguetes. Seu desempenho, no entanto, é inferior ao de bipropelentes ou propulsores sólidos modernos, e são de maior interesse em aplicações bastante especializadas, como pequenos foguetes de controle. Exemplos destacados desse tipo de propelente são o peróxido de hidrogênio e o óxido de etileno.1

E. COMBINAÇÕES DE TRÊS OU MAIS PROPELENTES QUÍMICOS

O uso de mais de dois produtos químicos como propulsores em foguetes nunca recebeu muita atenção e não é considerado vantajoso no momento. Ocasionalmente, um propulsor separado é usado para operar o gerador de gás que fornece o gás para acionar as turbobombas de foguetes líquidos. No V-2, por exemplo, o peróxido de hidrogênio foi decomposto para fornecer o gás quente para as turbobombas principais, embora os principais propulsores dos foguetes fossem álcool e oxigênio líquido.

F. PROPELENTES DE RADICAIS LIVRES

Se certas moléculas forem separadas, elas irão liberar grandes quantidades de energia ao se recombinarem. Foi proposto que esses fragmentos instáveis, chamados radicais livres, sejam usados ​​como propulsores de foguetes. A dificuldade, porém, é que essas espécies tendem a se recombinar assim que se formam; portanto, um problema central em seu uso é o desenvolvimento de um método de estabilização. O hidrogênio atômico é a mais promissora dessas substâncias. O uso de hidrogênio atômico pode produzir um impulso específico de cerca de 1.200 a 1.400 segundos.2

G. FLUIDOS DE TRABALHO PARA FOGUETES NÃO QUÍMICOS

Dispositivos como o foguete nuclear devem usar algum produto químico como fluido de trabalho ou propulsor, embora nenhuma energia seja fornecida ao foguete por nenhuma reação química. Todo o calor vem do reator. Como a principal consideração é minimizar o peso molecular do gás de exaustão, o hidrogênio líquido é a melhor substância até agora considerada

1 North American Aviation, Inc., comunicado à imprensa NL-45, 15 de outubro de 1958.

2 Propulsão do espaço exterior usando energia nuclear, audiências perante subcomitês do Comitê Conjunto de Energia Atômica, Congresso dos Estados Unidos 85th Cong., 2d sess., 22, 23 de janeiro e 6 de fevereiro de 1958, tenente-coronel P. Atkinson , pág. 145.

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, e não parece provável que qualquer substância com desempenho superior possa ser encontrada. Os problemas de manuseio do hidrogênio líquido são os mesmos para o foguete nuclear e para o foguete químico.

Outra substância mencionada para uso como propulsor no foguete nuclear é a amônia. Embora ofereça apenas cerca de metade do impulso específico do hidrogênio para a mesma temperatura do reator como consequência de seu maior peso molecular, é um líquido a temperaturas razoáveis ​​e é facilmente manuseado. Sua densidade também é muito maior que a do hidrogênio, sendo aproximadamente a mesma da gasolina.

Propulsores que seriam adequados para uso em dispositivos de propulsão elétrica são os metais facilmente ionizados. O mais geralmente considerado é o césio; os próximos melhores são rubídio, potássio, sódio e lítio.

H. EMBALAGEM DE PROPELENTE NÃO CONVENCIONAL

Algumas abordagens não convencionais no campo propulsor incluem o seguinte:

3 Estudo de Combustível Líquido Encapsulado Iniciado, Aviation Week, vol. 69, nº 19, 10 de novembro de 1958, p. 29.

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