Los propulsores de mezcla de combustible de óxido nitroso son una clase de propulsores líquidos para cohetes que fueron diseñados a principios de la década de 2010 para poder reemplazar a la hidracina como propulsor de cohete almacenable estándar en algunas aplicaciones.
En las mezclas de combustible de óxido nitroso, el combustible y el oxidante se mezclan y almacenan; a esto a veces se lo denomina monopropelente mixto . Al usarlo, el propelente se calienta o se pasa sobre un lecho catalizador y el óxido nitroso se descompone en gases ricos en oxígeno. Luego se produce la combustión. Se requiere un cuidado especial en la formulación química y el diseño del motor para evitar la detonación del combustible almacenado.
El combustible utilizado en un motor de cohete desempeña un papel importante tanto en el diseño del motor como en el diseño del vehículo de lanzamiento y del equipo terrestre relacionado para dar servicio al vehículo. El peso, la densidad energética , el coste, la toxicidad, el riesgo de explosiones y otros problemas hacen que sea importante que los ingenieros diseñen cohetes con combustibles adecuados. Las principales clases de combustibles para cohetes son:
Un combustible común en los pequeños propulsores de maniobra es la hidracina . Es líquida a temperatura ambiente y, al tener una entalpía de formación positiva , se puede utilizar como monopropelente para simplificar enormemente el diseño del sistema. Pero también es extremadamente tóxica y tiene un punto de congelación relativamente alto de +1 °C. También es inestable, una propiedad inherente a cualquier sustancia con una entalpía de formación positiva.
El óxido nitroso se puede utilizar como oxidante con varios combustibles; es popular principalmente en cohetes híbridos . Es mucho menos tóxico que la hidracina y tiene un punto de ebullición mucho más bajo, aunque se puede licuar a temperatura ambiente bajo presión. Al igual que la hidracina, tiene una entalpía de formación positiva que lo hace potencialmente inestable y un monopropelente viable. Se puede descomponer con un catalizador para producir una mezcla caliente de nitrógeno y oxígeno. [1] Cuando se mezcla con un combustible y se almacena antes de su uso, se convierte en un monopropelente mixto. [ cita requerida ]
Los científicos alemanes de cohetes ya estaban experimentando con mezclas de combustible de óxido nitroso en 1937. Las pruebas de mezclas de combustible de óxido nitroso continuaron durante la Segunda Guerra Mundial . La promesa de un alto rendimiento, un mayor alcance y sistemas de alimentación más ligeros impulsó la experimentación con mezclas de óxido nitroso y amoníaco, lo que dio lugar a numerosas explosiones y motores destruidos. [2] Las complejidades involucradas en la construcción de sistemas de propulsión que puedan manejar de forma segura monopropelentes de mezcla de combustible de óxido nitroso han sido un impedimento para el desarrollo serio.
El desarrollo posterior de mezclas de combustible de óxido nitroso se reanudó en la década de 2000, y en 2011 se planeó una misión de prueba de vuelo en el espacio . En el evento, la prueba de vuelo fue cancelada. Innovative Space Propulsion Systems había anunciado planes para probar el mono-propelente NOFBX en la parte de la NASA de la Estación Espacial Internacional (ISS), con una fecha de vuelo tentativa inicial no antes de 2012. [3] La NASA aprobó formalmente la misión a la ISS en un espacio de lanzamiento de 2013 en mayo de 2012. [4] La misión había sido programada para viajar a la ISS en el compartimento de carga no presurizado de una nave espacial SpaceX Dragon durante una de las misiones de reabastecimiento de carga contratadas por la NASA a mediados de 2013. El "ISPS NOFBX Green Propellant Demonstration" utilizará un motor de cohete NOFBX con un empuje de 100 libras de fuerza (440 N) de aceleración profunda que se montará en el exterior del módulo europeo Columbus en la ISS, y se esperaba que permaneciera en órbita durante aproximadamente un año mientras se sometía a una "serie de pruebas de rendimiento en el espacio". [5]
NOFBX era un nombre registrado para un monopropulsor patentado de óxido nitroso/ combustible / emulsionante desarrollado por Firestar Technologies. [6] La patente de NOFBX reclamaba una mezcla de óxido nitroso como oxidante con etano , etileno o acetileno como combustible. [8] NOFBX tiene un impulso específico más alto ( I sp ) y es menos tóxico que otros monopropulsores que se usan actualmente en aplicaciones espaciales, como la hidracina . Se habían planeado pruebas de vuelo de motores NOFBX en la Estación Espacial Internacional, [7] pero, finalmente, no se llevaron a cabo.
El NOFBX se había utilizado anteriormente para alimentar un motor alternativo para propulsar aviones no tripulados de gran altitud y larga autonomía en virtud de un contrato de la DARPA . [1] La empresa promocionó el NOFBX en ese momento como una tecnología "que cambiaría las reglas del juego" [3] con varias características que subrayan por qué los monopropulsores más seguros eran de interés en la industria:
Un artículo de la AIAA de 2008 sobre la descomposición del óxido nitroso ha suscitado inquietudes sobre los riesgos de seguridad que supone mezclar hidrocarburos con óxido nitroso. Al añadir hidrocarburos, la barrera energética para que se produzca una descomposición explosiva se reduce significativamente. [9]