Un propulsor hipergólico es una combinación de propulsor de cohete utilizado en un motor de cohete , cuyos componentes se encienden espontáneamente cuando entran en contacto entre sí.
Los dos componentes propulsores suelen consistir en un combustible y un oxidante . Las principales ventajas de los propulsores hipergólicos son que pueden almacenarse en forma líquida a temperatura ambiente y que los motores que funcionan con ellos son fáciles de encender de forma fiable y repetida. Los propulsores hipergólicos comunes son difíciles de manejar debido a su extrema toxicidad o corrosividad .
En el uso contemporáneo, los términos "hipergol" y "propulsor hipergólico" generalmente significan la combinación de propulsores más común: tetróxido de dinitrógeno más hidracina . [1]
En 1935, Hellmuth Walter descubrió que el hidrato de hidracina era hipergólico con una prueba de peróxido alta de 80 a 83%. Probablemente fue el primero en descubrir este fenómeno y se puso a trabajar en el desarrollo de un combustible. El Prof. Otto Lutz ayudó a Walter Company con el desarrollo de C-Stoff que contenía 30% de hidrato de hidracina, 57% de metanol y 13% de agua, y se encendía espontáneamente con peróxido de hidrógeno de alta concentración . [2] : 13 BMW desarrollaron motores que quemaban una mezcla hipergólica de ácido nítrico con varias combinaciones de aminas, xilidinas y anilinas . [3]
Los propulsores hipergólicos fueron descubiertos de forma independiente, por segunda vez, en los EE. UU. por investigadores de GALCIT y la Marina de Annapolis en 1940. Desarrollaron motores propulsados por anilina y ácido nítrico fumante rojo (RFNA). [4] Robert Goddard , Reaction Motors y Curtiss-Wright trabajaron en motores de anilina/ácido nítrico a principios de la década de 1940, para pequeños misiles y despegue asistido por jet ( JATO ). El proyecto resultó en el exitoso despegue asistido de varios Martin Bombarderos PBM y PBY, pero el proyecto no gustó debido a las propiedades tóxicas tanto del combustible como del oxidante, así como al alto punto de congelación de la anilina. El segundo problema se resolvió finalmente añadiendo pequeñas cantidades de alcohol furfurílico a la anilina. [2] : 22-23
En Alemania, desde mediados de la década de 1930 hasta la Segunda Guerra Mundial , los propulsores de cohetes se clasificaron en términos generales como monergoles , hipergoles, no hipergoles y lithergoles . La terminación ergol es una combinación del griego ergon o trabajo, y del latín oleum o aceite, influenciado posteriormente por el sufijo químico -ol de alcohol . [Nota 1] Los monergoles eran monopropulsores , mientras que los no hipergoles eran bipropulsores que requerían ignición externa, y los litergoles eran híbridos sólidos/líquidos. Los propulsores hipergólicos (o al menos el encendido hipergólico) eran mucho menos propensos a tener arranques bruscos que el encendido eléctrico o pirotécnico. La terminología "hipérgola" fue acuñada por el Dr. Wolfgang Nöggerath, en la Universidad Técnica de Brunswick , Alemania. [5]
El único caza propulsado por cohetes jamás desplegado fue el Messerschmitt Me 163 B Komet . El Komet tenía un HWK 109-509 , un motor cohete que consumía metanol/hidrazina como combustible y peróxido T-Stoff de alta prueba como oxidante. El motor del cohete hipergólico tenía la ventaja de un ascenso rápido y tácticas de ataque rápido a costa de ser muy volátil y capaz de explotar con cualquier grado de falta de atención. Otros cazas cohete de combate propuestos, como el Heinkel Julia y aviones de reconocimiento como el DFS 228, estaban destinados a utilizar la serie de motores de cohetes Walter 509, pero además del Me 163, sólo el caza prescindible de lanzamiento vertical Bachem Ba 349 Natter fue probado en vuelo con el sistema de propulsión de cohetes Walter como principal sistema de propulsión de sustentación para aviones de uso militar.
Los primeros misiles balísticos , como el soviético R-7 que lanzó el Sputnik 1 y los estadounidenses Atlas y Titan-1 , utilizaban queroseno y oxígeno líquido . Aunque se prefieren en los lanzadores espaciales, las dificultades de almacenar un criógeno como el oxígeno líquido en un misil que debía mantenerse listo para su lanzamiento durante meses o años llevaron a un cambio a propulsores hipergólicos en el Titán II estadounidense y en la mayoría de los soviéticos. Misiles balísticos intercontinentales como el R-36 . Pero las dificultades de tales materiales corrosivos y tóxicos, incluidas las fugas que causan lesiones y la explosión de un Titan-II en su silo, [6] llevaron a su reemplazo casi universal con propulsores de combustible sólido , primero en misiles balísticos lanzados desde submarinos occidentales. y luego en los misiles balísticos intercontinentales terrestres estadounidenses y soviéticos. [2] : 47
El módulo lunar Apolo , utilizado en los alunizajes , empleó combustibles hipergólicos tanto en los motores del cohete de descenso como de ascenso. La nave espacial Apolo utilizó la misma combinación para el sistema de propulsión de servicio . Esas naves espaciales y el transbordador espacial (entre otros) utilizaron propulsores hipergólicos para sus sistemas de control de reacción .
La tendencia entre las agencias de lanzamiento espacial occidentales es alejarse de los grandes motores de cohetes hipergólicos y optar por motores de hidrógeno/oxígeno con mayor rendimiento. Ariane 1 a 4, con su primera y segunda etapas hipergólicas (y propulsores hipergólicos opcionales en Ariane 3 y 4) han sido retirados y reemplazados por el Ariane 5, que utiliza una primera etapa alimentada por hidrógeno líquido y oxígeno líquido. También se han retirado las Titan II, III y IV, con su primera y segunda etapa hipergólicas. Los propulsores hipergólicos todavía se utilizan ampliamente en las etapas superiores cuando se requieren múltiples períodos de quemado, y en sistemas de escape de lanzamiento .
Los motores de cohetes alimentados con combustible hipergólico suelen ser sencillos y fiables porque no necesitan ningún sistema de encendido. Aunque los motores hipergólicos más grandes de algunos vehículos de lanzamiento utilizan turbobombas , la mayoría de los motores hipergólicos funcionan con presión. Un gas, generalmente helio , se alimenta a los tanques de propulsor bajo presión a través de una serie de válvulas de retención y de seguridad . Los propulsores, a su vez, fluyen a través de válvulas de control hacia la cámara de combustión; allí, su encendido instantáneo por contacto evita que se acumule una mezcla de propulsores sin reaccionar y luego se encienda en un arranque difícil potencialmente catastrófico .
Como los cohetes hipergólicos no necesitan un sistema de encendido, pueden disparar cualquier número de veces simplemente abriendo y cerrando las válvulas de propulsor hasta que se agoten y, por lo tanto, son especialmente adecuados para maniobras de naves espaciales y muy adecuados, aunque no exclusivamente, como etapas superiores. de lanzadores espaciales como el Delta II y el Ariane 5 , que deben realizar más de un encendido. Sin embargo, existen motores de cohetes no hipergólicos reiniciables, en particular el criogénico (oxígeno/hidrógeno) RL-10 en el Centaur y el J-2 en el Saturn V. El RP-1 /LOX Merlin del Falcon 9 también se puede reiniciar. [7]
Los combustibles hipergólicos más comunes, hidracina , monometilhidrazina y dimetilhidrazina asimétrica , y el oxidante, tetróxido de nitrógeno , son todos líquidos a temperaturas y presiones normales. Por eso a veces se les llama propulsores líquidos almacenables . Son adecuados para su uso en misiones de naves espaciales que duren muchos años. La criogenidad del hidrógeno líquido y del oxígeno líquido ha limitado hasta ahora su uso práctico a los vehículos de lanzamiento espacial, donde sólo necesitan almacenarse brevemente. [8] Como el mayor problema con el uso de propulsores criogénicos en el espacio interplanetario es la ebullición, que depende en gran medida de la escala de la nave espacial, para naves más grandes como Starship esto es un problema menor.
Otra ventaja de los propulsores hipergólicos es su alta densidad en comparación con los propulsores criogénicos. LOX tiene una densidad de 1,14 g/ml, mientras que por otro lado, los oxidantes hipergólicos como el ácido nítrico o el tetróxido de nitrógeno tienen una densidad de 1,55 g/ml y 1,45 g/ml respectivamente. El combustible LH2 ofrece un rendimiento extremadamente alto, pero su densidad sólo garantiza su uso en las etapas más grandes de cohetes, mientras que las mezclas de hidracina y UDMH tienen una densidad al menos diez veces mayor. [9] Esto es de gran importancia en las sondas espaciales , ya que la mayor densidad de propulsor permite que el tamaño de su tanque de propulsor se reduzca significativamente, lo que a su vez permite que la sonda encaje dentro de un carenado de carga útil más pequeño .
En relación con su masa, los propulsores hipergólicos tradicionales poseen un poder calorífico más bajo que las combinaciones de propulsores criogénicos como LH2 / LOX o LCH4 / LOX . [10] Por lo tanto, un vehículo de lanzamiento que utiliza propulsor hipergólico debe transportar una mayor masa de combustible que uno que utiliza estos combustibles criogénicos.
La corrosividad , toxicidad y carcinogenicidad de los hipergólicos tradicionales requieren costosas precauciones de seguridad. [11] [12] No seguir los procedimientos de seguridad adecuados con una mezcla propulsora de ácido nítrico y UDMH excepcionalmente peligrosa apodada "Veneno del Diablo" , por ejemplo, resultó en el accidente de cohetes más mortífero de la historia, la catástrofe de Nedelin . [13]
Las combinaciones comunes de propulsores hipergólicos incluyen: [14]
Los propulsores hipergólicos menos comunes u obsoletos incluyen:
Las sustancias pirofóricas , que se encienden espontáneamente en presencia de aire, también se utilizan a veces como combustible para cohetes o para encender otros combustibles. Por ejemplo, se utilizó una mezcla de trietilborano y trietilaluminio (que son pirofóricos por separado y aún más juntos) para el arranque de motores en el SR-71 Blackbird y en los motores F-1 del cohete Saturn V y se utiliza en el Merlin. motores de los cohetes SpaceX Falcon 9 .
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