RL10

Motor de cohete criogénico de combustible líquido, normalmente utilizado en etapas superiores de cohetes.

El RL10 es un motor de cohete criogénico de combustible líquido construido en los Estados Unidos por Aerojet Rocketdyne que quema hidrógeno líquido criogénico y propulsores de oxígeno líquido . Las versiones modernas producen hasta 110 kN (24,729 lbf ₎ de empuje por motor en vacío. Tres versiones del RL10 están en producción para la etapa superior Centaur del Atlas V y el DCSS del Delta IV . Tres versiones más están en desarrollo para la etapa superior de exploración del Space Launch System y el Centaur V del cohete Vulcan . ^[2]

El ciclo de expansión que utiliza el motor impulsa la turbobomba con el calor residual absorbido por la cámara de combustión, la garganta y la tobera del motor. Esto, combinado con el combustible de hidrógeno, produce impulsos específicos muy altos ( I _sp ) en el rango de 373 a 470 s (3,66–4,61 km/s) en el vacío. La masa varía de 131 a 317 kg (289–699 lb) según la versión del motor. ^{[3] [4]}

Historia

El RL10 fue el primer motor de cohete de hidrógeno líquido construido en los Estados Unidos. El desarrollo del motor estuvo a cargo del Centro Marshall de Vuelos Espaciales y Pratt & Whitney a partir de la década de 1950. El RL10 se desarrolló originalmente como un motor regulable para el módulo de aterrizaje lunar Lunex de la USAF . ^[5]

El RL10 se probó por primera vez en tierra en 1959, en el Centro de Investigación y Desarrollo de Pratt & Whitney en Florida, West Palm Beach, Florida . ^{[6] [7]} El primer vuelo exitoso tuvo lugar el 27 de noviembre de 1963. ^{[8] [9]} Para ese lanzamiento, dos motores RL10A-3 impulsaron la etapa superior Centaur de un vehículo de lanzamiento Atlas . El lanzamiento se utilizó para realizar una prueba de rendimiento e integridad estructural del vehículo con muchos instrumentos. ^[10]

Se han utilizado varias versiones de este motor. El S-IV del Saturn I utilizó un grupo de seis RL10A-3S, una versión que fue modificada para su instalación en el Saturn ^[11] y el programa Titan incluyó etapas superiores Centaur D-1T impulsadas por dos motores RL10A-3-3. ^{[11] [12]}

Se utilizaron cuatro motores RL10A-5 modificados en el McDonnell Douglas DC-X . ^[13]

Un fallo en la soldadura fuerte de una cámara de combustión RL10B-2 fue identificado como la causa de la falla del lanzamiento del Delta III del 4 de mayo de 1999 que transportaba el satélite de comunicaciones Orion-3 . ^[14]

La propuesta de la versión 3.0 de DIRECT para reemplazar Ares I y Ares V con una familia de cohetes que comparten una etapa central común recomendó el RL10 para la segunda etapa de los vehículos de lanzamiento J-246 y J-247. ^[15] Se habrían utilizado hasta siete motores RL10 en la etapa superior propuesta de Júpiter, cumpliendo una función equivalente a la etapa superior de exploración del sistema de lanzamiento espacial .

Motor criogénico extensible común

El CECE a medio gas

A principios de la década de 2000, la NASA contrató a Pratt & Whitney Rocketdyne para desarrollar el demostrador de motor criogénico extensible común (CECE). El CECE estaba destinado a conducir a motores RL10 capaces de estrangular profundamente. ^[16] En 2007, su operatividad (con algo de "traqueteo") se demostró en relaciones de aceleración de 11:1. ^[17] En 2009, la NASA informó que logró estrangular con éxito desde el 104 por ciento de empuje hasta el 8 por ciento de empuje, un récord para un motor de ciclo de expansión de este tipo. El traqueteo se eliminó mediante modificaciones del sistema de alimentación de propulsores e inyectores que controlan la presión, la temperatura y el flujo de propulsores. ^[18] En 2010, el rango de estrangulamiento se amplió aún más a una relación de 17,6:1, estrangulando desde el 104% al 5,9% de potencia. ^[19]

Posible sucesor a principios de la década de 2010

En 2012, la NASA se unió a la Fuerza Aérea de los EE. UU. (USAF) para estudiar la propulsión de etapa superior de próxima generación, formalizando los intereses conjuntos de las agencias en un nuevo motor de etapa superior para reemplazar al Aerojet Rocketdyne RL10.

"Conocemos el precio de lista de un RL10. Si se analiza el costo a lo largo del tiempo, una gran parte del costo unitario de los EELV se atribuye a los sistemas de propulsión, y el RL10 es un motor muy antiguo y hay mucho trabajo artesanal asociado con su fabricación... Eso es lo que este estudio determinará: ¿vale la pena construir un reemplazo del RL10?"

—  Dale Thomas, Director Técnico Asociado, Centro Marshall de Vuelos Espaciales ^[20]

A partir del estudio, la NASA esperaba encontrar un motor de clase RL10 menos costoso para la etapa superior del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS). ^{[20] [21]}

La USAF esperaba reemplazar los motores Rocketdyne RL10 utilizados en las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento prescindibles evolucionados (EELV) de Lockheed Martin Atlas V y Boeing Delta IV, que eran los principales métodos para poner en el espacio los satélites del gobierno estadounidense. ^[20] Al mismo tiempo, se llevó a cabo un estudio de requisitos relacionado en el marco del Programa de motores asequibles para la etapa superior (AUSEP). ^[21]

Mejoras

El RL10 ha evolucionado a lo largo de los años. El RL10B-2 que se utilizó en el DCSS tenía un rendimiento mejorado, una tobera extensible de carbono-carbono , cardán electromecánico para reducir el peso y aumentar la fiabilidad, y un impulso específico de 465,5 segundos (4,565 km/s). ^{[22] [23]}

En 2016, Aerojet Rocketdyne estaba trabajando para incorporar la fabricación aditiva al proceso de construcción del RL10. La empresa realizó pruebas a gran escala de fuego en un motor con un inyector principal impreso en marzo de 2016 ^{[24] y en un motor con un conjunto de} cámara de empuje impreso en abril de 2017 ^[25].

Aplicaciones actuales del RL10

• Atlas V Centaur (etapa del cohete) : La versión centaur de un solo motor (SEC) utiliza el RL10C-1, ^[2] mientras que la versión centaur de dos motores (DEC) conserva el RL10A-4-2, de menor tamaño. ^[26] Una misión Atlas V (SBIRS-5) marcó el primer uso de la versión RL10C-1-1. La misión fue exitosa, pero se observó una vibración inesperada, y el uso posterior del modelo RL10C-1-1 está en suspenso hasta que se comprenda mejor el problema. ^[27] El motor se volvió a utilizar con éxito en SBIRS-6.
• Etapa de propulsión criogénica provisional  : la etapa de propulsión criogénica provisional o ICPS se utiliza para el SLS y es similar al DCSS, excepto que el motor es un RL10B-2 y está adaptado para encajar en la parte superior de la etapa central de 8,4 metros de diámetro con cuatro motores principales del transbordador espacial RS-25 .
• Etapa Centaur V del Vulcan Centaur : El 11 de mayo de 2018, United Launch Alliance (ULA) anunció que el motor de la etapa superior RL10 había sido seleccionado para el cohete Vulcan Centaur de próxima generación de ULA luego de un proceso de adquisición competitivo. ^[28] Centaur V normalmente usará el RL10C-1-1, ^[2] pero en Vulcan Centaur Heavy se usará el RL10C-X. ^[29] Vulcan realizó su exitoso vuelo inaugural el 8 de enero de 2024. ^[30]

Motores en desarrollo

• Etapa superior de exploración (EUS) : La EUS utilizará inicialmente cuatro motores RL10C-3. El RL10C-X reemplazará a estos motores cuando esté disponible. ^[31]
• Etapa superior de OmegA: En abril de 2018, Northrop Grumman Innovation Systems anunció que se utilizarían dos motores RL10C-5-1 en la etapa superior de OmegA . ^{[32] También se consideraron} el BE-3U de Blue Origin y el Vinci de Airbus Safran antes de que se seleccionara el motor de Aerojet Rocketdyne. El desarrollo de OmegA se detuvo después de que no logró ganar un contrato de Lanzamiento Espacial de Seguridad Nacional. ^[33]

Etapa criogénica evolucionada avanzada

A partir de 2009 ^[actualizar], se propuso una versión mejorada del RL10 para impulsar la Etapa Criogénica Evolucionada Avanzada (ACES), una extensión de larga duración y baja ebullición de la tecnología existente de la Segunda Etapa Criogénica Delta (DCSS) y ULA Centaur para el vehículo de lanzamiento Vulcan . ^[34] La tecnología ACES de larga duración está destinada a respaldar misiones geoestacionarias , cislunares e interplanetarias . Otra posible aplicación es como depósitos de propulsor en el espacio en LEO o en L 2 que podrían usarse como estaciones de paso para que otros cohetes se detengan y reabastezcan de combustible en el camino a misiones más allá de LEO o interplanetarias. También se propuso la limpieza de desechos espaciales . ^[35]

Tabla de versiones

Especificaciones parciales

Todas las versiones

• Contratista: Pratt & Whitney
• Propulsores: oxígeno líquido, hidrógeno líquido ^[23]
• Diseño: ciclo expansor ^[56]
• Ignición: chispa eléctrica. ^[57]

RL10A

Información y descripción general del modelo RL10A

• Empuje (altitud): 15.000 lbf (66,7 kN) ^[36] 
• Impulso específico : 433 segundos (4,25 km/s)
• Peso del motor, seco : 298 lb (135 kg)
• Altura: 68  pulgadas (1,73  m)
• Diámetro: 39  pulgadas (0,99  m)
• Relación de expansión de la boquilla: 40 a 1
• Caudal del propulsor: 35 lb/s (16 kg/s)
• Aplicación del vehículo: Saturno I , S-IV 2da etapa, 6 motores
• Aplicación del vehículo: Etapa superior Centaur , 2 motores

RL10B-2

Segunda etapa de un cohete Delta IV Medium con motor RL10B-2

• Empuje (altitud): 24.750 lbf (110,1 kN) ^[23]
• Impulso específico : 465,5 segundos (4,565 km/s) ^[23]
• Peso del motor, seco: 664 lb (301,2 kg) ^[23]
• Altura: 163,5  pulgadas (4,14  m) ^[23]
• Diámetro: 84,5  pulgadas (2,21  m) ^[23]
• Relación de expansión: 280 a 1
• Relación de mezcla: relación de masa de oxígeno:hidrógeno de 5,88 a 1 ^[23]
• Flujo de propulsor: combustible, 7,72 lb/s (3,5 kg/s); oxidante, 45,42 lb/s (20,6 kg/s) ^[23]
• Aplicación del vehículo: Delta III , Delta IV segunda etapa (1 motor)

Galería

• 
  RL10A-1
• 
  RL10A-3S
• 
  RL10A-4
• 
  RL10A-4-2
• 
  RL10B-2

Motores en exposición

• Un RL10A-1 está en exhibición en el Museo Aéreo de Nueva Inglaterra , Windsor Locks, Connecticut ^[58]
• Un RL10 está en exhibición en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago , Illinois ^[59]
• Un RL10A-1 se exhibe en el Centro Espacial y Terrestre Cernan , River Grove , Illinois.
• Un RL10 está en exhibición en el Centro Espacial y de Cohetes de Estados Unidos , en Huntsville, Alabama ^[59]
• Un RL10 está en exhibición en la Southern University , Baton Rouge, Louisiana ^[60]
• Dos motores RL10 están en exhibición en el Paseo de la Fama del Espacio de EE. UU. , Titusville, Florida ^[61]
• Un RL10 está en exhibición en el Centro de Ciencias y Acuario Cox , West Palm Beach, Florida .
• Hay un RL10 en exhibición en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Davis Hall, en la Universidad de Auburn . ^{[ cita requerida ]}
• Un RL10A-4 está en exhibición en el Museo de Ciencias de Londres , Reino Unido. ^[62]
• Un RL10 está en exhibición en el Museo de la Vida y la Ciencia en Durham , Carolina del Norte.
• Un RL10 está en exhibición en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego en San Diego , California. ^[63]
• Un RL10B-2 está en exhibición afuera del Discovery Cube Orange County en Santa Ana, CA.

Véase también

• Propulsión de naves espaciales
• RL60
• MARC-60
• RD-0146
• Motor con boquilla de aleación de aluminio XCOR/ULA , en desarrollo en 2011

Referencias

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Bibliografía

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Enlaces externos

• RL10B-2 en Astronautix
• Artículo de Spaceflight Now
• Artículo de Spaceflight Now