Ciclo de cohete expansor. Motor de cohete expansor (ciclo cerrado). El calor de la tobera y la cámara de combustión alimentan las bombas de combustible y oxidante.
El ciclo de expansión es un ciclo de potencia de un motor de cohete bipropelente . En este ciclo, el combustible se utiliza para enfriar la cámara de combustión del motor, captando calor y cambiando de fase. El combustible, ahora calentado y gaseoso, impulsa la turbina que impulsa las bombas de combustible y oxidante del motor antes de inyectarse en la cámara de combustión y quemarse.
Debido al cambio de fase necesario, el ciclo de expansión está limitado por la ley del cubo cuadrado . Cuando se escala una boquilla en forma de campana, el área de superficie de la boquilla con la que calentar el combustible aumenta con el cuadrado del radio, pero el volumen de combustible a calentar aumenta con el cubo del radio. Por lo tanto, más allá de aproximadamente 3000 kN (700 000 lbf) de empuje, ya no hay suficiente área de boquilla para calentar suficiente combustible para impulsar las turbinas y, por lo tanto, las bombas de combustible. [1] Se pueden lograr niveles de empuje más altos utilizando un ciclo de expansión de derivación en el que una parte del combustible pasa por alto los conductos de enfriamiento de la turbina o la cámara de empuje y va directamente al inyector de la cámara principal. Los motores aerospike no toroidales no están sujetos a las limitaciones de la ley del cubo cuadrado porque la forma lineal del motor no se escala isométricamente: el flujo de combustible y el área de la boquilla se escalan linealmente con el ancho del motor. Todos los motores de ciclo expansor necesitan utilizar un combustible criogénico como hidrógeno líquido , metano líquido o propano líquido que alcanza fácilmente su punto de ebullición .
Algunos motores de ciclo expansor pueden utilizar un generador de gas de algún tipo para arrancar la turbina y hacer funcionar el motor hasta que el aporte de calor de la cámara de empuje y el faldón de la boquilla aumente a medida que aumenta la presión de la cámara.
Ciclo de purga del expansor. Ciclo de apertura del expansor (también llamado purga de refrigerante).
Este ciclo operativo es una modificación del ciclo de expansión tradicional. En el ciclo de purga (o abierto), en lugar de enviar todo el propulsor calentado a través de la turbina y enviarlo de regreso para que se queme, solo una pequeña parte del propulsor calentado se utiliza para impulsar la turbina y luego se purga, siendo expulsado al exterior sin pasar por la cámara de combustión. La otra parte se inyecta en la cámara de combustión. La purga del escape de la turbina permite una mayor eficiencia de la turbobomba al disminuir la contrapresión y maximizar la caída de presión a través de la turbina. En comparación con un ciclo de expansión estándar, esto permite un mayor empuje del motor a costa de la eficiencia al descargar el escape de la turbina. [3] [4]
El Mitsubishi LE-5A fue el primer motor de ciclo de purga de expansor del mundo que se puso en servicio operativo. [5] El Mitsubishi LE-9 es el primer motor de ciclo de purga de expansor de primera etapa del mundo. [6]
Blue Origin eligió el ciclo de purga del expansor para el motor BE-3U utilizado en la etapa superior de su vehículo de lanzamiento New Glenn . [7]
Expansor doble
De manera similar a como la combustión por etapas se puede implementar por separado en el oxidante y el combustible en el ciclo de flujo completo , el ciclo de expansión se puede implementar en dos rutas separadas como el ciclo de expansión dual . El uso de gases calientes de la misma química que el líquido para el lado de la turbina y la bomba de las turbobombas elimina la necesidad de purgas y algunos modos de falla. Además, cuando la densidad del combustible y el oxidante es significativamente diferente, como es en el caso de H 2 / LOX , las velocidades óptimas de la turbobomba difieren tanto que necesitan una caja de cambios entre las bombas de combustible y oxidante. [8] [9] El uso del ciclo de expansión dual, con turbinas separadas, elimina este equipo propenso a fallas. [9]
El ciclo de doble expansor se puede implementar ya sea utilizando secciones separadas en el sistema de enfriamiento regenerativo para el combustible y el oxidante, o utilizando un solo fluido para enfriar y un intercambiador de calor para hervir el segundo fluido. En el primer caso, por ejemplo, se podría utilizar el combustible para enfriar la cámara de combustión y el oxidante para enfriar la boquilla . En el segundo caso, se podría utilizar el combustible para enfriar todo el motor y un intercambiador de calor para hervir el oxidante. [9]
Ventajas
El ciclo de expansión tiene una serie de ventajas sobre otros diseños: [ cita requerida ]
Baja temperatura
Una vez que se han convertido en gas, los propulsores suelen estar a temperatura ambiente y causan muy pocos o ningún daño a la turbina, lo que permite reutilizar el motor. Por el contrario, los motores de combustión por etapas o con generador de gas hacen funcionar sus turbinas a alta temperatura.
Tolerancia
Durante el desarrollo del RL10, los ingenieros estaban preocupados por la posibilidad de que la espuma aislante montada en el interior del tanque pudiera romperse y dañar el motor. Probaron esto colocando espuma suelta en un tanque de combustible y haciéndola pasar por el motor. El RL10 la destruyó sin problemas ni degradación notable en el rendimiento. Los generadores de gas convencionales son en la práctica motores de cohetes en miniatura, con toda la complejidad que eso implica. El bloqueo incluso de una pequeña parte de un generador de gas puede provocar un punto caliente, lo que puede causar una pérdida violenta del motor. El uso de la campana del motor como "generador de gas" también lo hace muy tolerante a la contaminación del combustible debido a los canales de flujo de combustible más amplios utilizados.
Seguridad inherente
Debido a que un motor de ciclo expansor de tipo campana tiene un empuje limitado, se puede diseñar fácilmente para que soporte sus condiciones de empuje máximo. En otros tipos de motores, una válvula de combustible atascada o un problema similar puede provocar que el empuje del motor se salga de control debido a sistemas de retroalimentación no deseados. Otros tipos de motores requieren controladores mecánicos o electrónicos complejos para garantizar que esto no suceda. Los ciclos expansores son, por diseño, incapaces de funcionar mal de esa manera.
Mayor rendimiento de vacío
En comparación con un motor alimentado a presión , los motores alimentados por bomba y, por lo tanto, los motores de ciclo de expansión tienen presiones más altas en la cámara de combustión. Las presiones más altas en la cámara de combustión permiten un área de garganta reducida A th y, por lo tanto, conducen a una relación de expansión mayor, e = A e /A th para un área de salida de boquilla idéntica A e , lo que en última instancia conduce a un mayor rendimiento de vacío.
Uso
Los motores de ciclo expansor incluyen lo siguiente:
^ Cámaras de empuje de cohetes de combustible líquido . Reston, VA: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. 1 de enero de 2004. pág. 636. doi : 10.2514/4.866760. ISBN.978-1-56347-223-7.
^ "Ariane 6". www.esa.int . Consultado el 21 de febrero de 2017 .
^ Sippel, Martin; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (23 de julio de 2003). Estudios sobre motores de ciclo de purga de expansor para lanzadores (PDF) . 39.ª Conferencia y exposición conjunta de propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE. AIAA . Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-03 . Consultado el 2016-09-25 .
^ Atsumi, Masahiro; Yoshikawa, Kimito; Ogawara, Akira; Onga, Tadaoki (diciembre de 2011). «Desarrollo del motor LE-X» (PDF) . Mitsubishi Heavy Industries Technical Review . 48 (4). Mitsubishi Heavy Industries : 36–43. Archivado desde el original (PDF) el 24 de diciembre de 2015. Consultado el 25 de septiembre de 2016 .
^ Akira Konno (octubre de 1993). わが国の液体ロケットエンジンの現状と今後の展望 (en japonés). Sociedad de Turbomaquinaria de Japón/ J-STAGE . pag. 10. Archivado desde el original el 28 de mayo de 2021 . Consultado el 24 de enero de 2022 .
^ Shinya Matsuura (2 de febrero de 2021). H3 ロ ケ ッ ト の 主 エ ン ジ ン 「LE-9 」 熱 効 率 向 上 で 世 界 初 に 挑戦 (en japonés). Negocios Nikkei. Archivado desde el original el 24 de enero de 2022 . Consultado el 23 de enero de 2022 .
^ "New Glenn completa la segunda etapa de Hotfire". Blue Origin. 23 de septiembre de 2024.
^ Sutton, George P.; Biblarz, Oscar (2000). "Sección 6.6". Elementos de propulsión de cohetes: una introducción a la ingeniería de cohetes (PDF) (Séptima edición). John Wiley & Sons, Inc. págs. 221–227. ISBN0-471-32642-9Archivado desde el original (PDF) el 19 de enero de 2016. Consultado el 26 de septiembre de 2016 .
^ abc Patente estadounidense 7.418.814 B1, Greene, William D., "Motor de cohete de ciclo de expansión dual con un intercambiador de calor de ciclo cerrado intermedio", expedida el 2 de septiembre de 2008, asignada a los Estados Unidos de América representados por el Administrador de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio
^ "Pratt & Whitney Space Propulsion – RL60 fact sheet". Archivado desde el original (PDF) el 2012-03-28 . Consultado el 2008-12-28 .
^ ab "¡New Glenn completa la segunda etapa de Hotfire!". BlueOrigin . Consultado el 1 de noviembre de 2024 .
^ Watanabe, Daiki; Manako, Hiroyasu; Onga, Tadaoki; Tamura, Takashi; Ikeda, Kazufumi; Isono, Mitsunori (diciembre de 2016). "Mejora de la estabilidad de la combustión del motor LE-9 para la etapa de refuerzo del vehículo de lanzamiento H3" (PDF) . Revisión técnica de Mitsubishi Heavy Industries . Consultado el 13 de marzo de 2024 .
^ "Motor RL10 | Aerojet Rocketdyne". Archivado desde el original el 30 de abril de 2017. Consultado el 6 de junio de 2017 .
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