Los cohetes químicos de mayor impulso específico utilizan propulsores líquidos ( cohetes de propulsor líquido ). Pueden consistir en una sola sustancia química (un monopropulsor ) o una mezcla de dos sustancias químicas, llamadas bipropelentes . Los bipropulsores se pueden dividir además en dos categorías; propulsores hipergólicos , que se encienden cuando el combustible y el oxidante hacen contacto, y propulsores no hipergólicos que requieren una fuente de ignición. [1]
Se han probado alrededor de 170 propulsores diferentes hechos de combustible líquido , excluyendo cambios menores a un propulsor específico, como aditivos, inhibidores de corrosión o estabilizadores. Sólo en Estados Unidos se han utilizado al menos 25 combinaciones diferentes de propulsores. [2]
Muchos factores influyen en la elección de un propulsor para un motor de cohete de propulsor líquido. Los factores principales incluyen facilidad de operación, costo, peligros/medio ambiente y rendimiento. [ cita necesaria ]
Konstantin Tsiolkovsky propuso el uso de propulsores líquidos en 1903, en su artículo Exploration of Outer Space by Means of Rocket Devices. [3] [4]
El 16 de marzo de 1926, Robert H. Goddard utilizó oxígeno líquido ( LOX ) y gasolina como combustible para cohetes en su primer lanzamiento parcialmente exitoso de un cohete con propulsor líquido . Ambos propulsores están fácilmente disponibles, son baratos y altamente energéticos. El oxígeno es un criógeno moderado ya que el aire no se licua contra un tanque de oxígeno líquido, por lo que es posible almacenar LOX brevemente en un cohete sin un aislamiento excesivo. [ se necesita aclaración ]
En Alemania, los ingenieros y científicos quedaron cautivados por la propulsión líquida, construyendo y probando cohetes a finales de la década de 1920 en el Opel RAK de Rüsselsheim. Según el relato de Max Valier , el diseñador de cohetes Opel RAK , Friedrich Wilhelm Sander, lanzó dos cohetes de combustible líquido en Opel Rennbahn en Rüsselsheim el 10 y el 12 de abril de 1929. Estos cohetes Opel RAK fueron los primeros europeos y, después de Goddard, los segundos. -cohetes de combustible, en la historia. [ se necesita aclaración ]
Alemania tuvo un desarrollo de cohetes muy activo antes y durante la Segunda Guerra Mundial , tanto para el cohete estratégico V-2 como para otros misiles. El V-2 utilizaba un motor de propulsor líquido de alcohol/LOX, con peróxido de hidrógeno para impulsar las bombas de combustible. [5] El alcohol se mezcló con agua para enfriar el motor. Tanto Alemania como Estados Unidos desarrollaron motores de cohetes de propulsor líquido reutilizables que utilizaban un oxidante líquido almacenable con una densidad mucho mayor que el LOX y un combustible líquido que se encendía espontáneamente al entrar en contacto con el oxidante de alta densidad. El principal fabricante de motores de cohetes alemanes para uso militar, la empresa HWK , [6] fabricó la serie de sistemas de motores de cohetes RLM , numerados 109-500 , y utilizó peróxido de hidrógeno como monopropulsor para las necesidades de despegue asistido por propulsión de cohetes Starthilfe . ; [7] o como una forma de empuje para bombas de planeo aire-mar guiadas por MCLOS ; [8] y se utiliza en una combinación bipropulsora del mismo oxidante con una mezcla de combustible de hidrato de hidracina y alcohol metílico para sistemas de motores de cohetes destinados a la propulsión de aviones de combate tripulados . [9] Los diseños de motores estadounidenses fueron alimentados con la combinación bipropulsora de ácido nítrico como oxidante; y anilina como combustible. Ambos motores se utilizaron para propulsar aviones, el interceptor Me 163 Komet en el caso de los diseños de motores alemanes de la serie Walter 509, y unidades RATO de ambas naciones (como ocurre con el sistema Starthilfe para la Luftwaffe) para ayudar en el despegue de aviones. que constituyó el propósito principal para el caso de la tecnología estadounidense de motores de cohetes de combustible líquido; gran parte de ella surgió de la mente del oficial de la Armada de los EE. UU., Robert Truax . [10]
Durante las décadas de 1950 y 1960 hubo una gran actividad por parte de los químicos de propulsores para encontrar propulsores líquidos y sólidos de alta energía más adecuados para el uso militar. Los grandes misiles estratégicos deben permanecer en silos terrestres o submarinos durante muchos años, capaces de lanzarse en cualquier momento. Los propulsores que requerían refrigeración continua, lo que hace que en sus cohetes se formen mantos de hielo cada vez más gruesos, no eran prácticos. Como los militares estaban dispuestos a manipular y utilizar materiales peligrosos, se elaboraron una gran cantidad de productos químicos peligrosos en grandes lotes, la mayoría de los cuales terminaron siendo considerados inadecuados para los sistemas operativos. En el caso del ácido nítrico , el propio ácido ( HNO
3) era inestable y corroía la mayoría de los metales, lo que dificultaba su almacenamiento. La adición de una modesta cantidad de tetróxido de nitrógeno , N
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4, enrojeció la mezcla y evitó que cambiara de composición, pero dejó el problema de que el ácido nítrico corroe los contenedores en los que se coloca, liberando gases que pueden acumular presión en el proceso. El gran avance fue la adición de un poco de fluoruro de hidrógeno (HF), que forma un fluoruro metálico autosellante en el interior de las paredes del tanque que inhibe el ácido nítrico fumante rojo. Esto hizo que "IRFNA" fuera almacenable. Combinaciones de propulsores basados en IRFNA o N puro
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4como oxidante y el queroseno o anilina hipergólica (autoinflamable) , la hidracina o la dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) como combustible fueron adoptadas en los Estados Unidos y la Unión Soviética para su uso en misiles estratégicos y tácticos. Los bipropulsores líquidos almacenables y autoinflamables tienen un impulso específico algo menor que el LOX/queroseno, pero tienen una mayor densidad, por lo que se puede colocar una mayor masa de propulsor en tanques del mismo tamaño. La gasolina fue reemplazada por diferentes combustibles de hidrocarburos , [5] por ejemplo el RP-1 , un queroseno de calidad altamente refinada . Esta combinación es bastante práctica para cohetes que no necesitan ser almacenados.
Los cohetes V-2 desarrollados por la Alemania nazi utilizaban LOX y alcohol etílico. Una de las principales ventajas del alcohol era su contenido de agua, que proporcionaba refrigeración en motores de cohetes más grandes. Los combustibles a base de petróleo ofrecían más potencia que el alcohol, pero la gasolina y el queroseno estándar dejaban demasiado hollín y subproductos de la combustión que podían obstruir las tuberías del motor. Además, carecían de las propiedades refrescantes del alcohol etílico.
A principios de la década de 1950, a la industria química de Estados Unidos se le asignó la tarea de formular un propulsor de cohetes mejorado a base de petróleo que no dejara residuos y también asegurara que los motores permanecieran fríos. El resultado fue el RP-1 , cuyas especificaciones se finalizaron en 1954. El RP-1, una forma altamente refinada de combustible para aviones, se quemaba de forma mucho más limpia que los combustibles derivados del petróleo convencionales y también representaba un menor peligro para el personal de tierra debido a los vapores explosivos. Se convirtió en el propulsor de la mayoría de los primeros cohetes y misiles balísticos estadounidenses, como el Atlas, el Titan I y el Thor. Los soviéticos adoptaron rápidamente el RP-1 para su misil R-7, pero la mayoría de los vehículos de lanzamiento soviéticos finalmente utilizaron propulsores hipergólicos almacenables. A partir de 2017 [update], se utiliza en las primeras etapas de muchos lanzadores orbitales.
Muchos de los primeros teóricos de los cohetes creían que el hidrógeno sería un propulsor maravilloso, ya que proporciona el mayor impulso específico . También se considera el más limpio cuando se oxida con oxígeno porque el único subproducto es el agua. El reformado con vapor de gas natural es el método más común para producir hidrógeno comercial a granel, representando aproximadamente el 95% de la producción mundial [11] [12] de 500 mil millones de m³ en 1998. [13] A altas temperaturas (700–1100 °C) y En presencia de un catalizador a base de metal ( níquel ), el vapor reacciona con el metano para producir monóxido de carbono e hidrógeno.
El hidrógeno es muy voluminoso en comparación con otros combustibles; Por lo general, se almacena como líquido criogénico, una técnica que se dominó a principios de la década de 1950 como parte del programa de desarrollo de la bomba de hidrógeno en Los Álamos . El hidrógeno líquido se puede almacenar y transportar sin ebullición, utilizando helio como refrigerante refrigerante, ya que el helio tiene un punto de ebullición incluso más bajo que el hidrógeno. El hidrógeno se pierde por ventilación a la atmósfera sólo después de que se carga en un vehículo de lanzamiento, donde no hay refrigeración. [14]
A finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, se adoptó para etapas alimentadas con hidrógeno, como las etapas superiores de Centauro y Saturno . [ cita necesaria ] El hidrógeno tiene baja densidad incluso en forma líquida, lo que requiere grandes tanques y bombas; Mantener el frío extremo necesario requiere aislamiento del tanque. Este peso extra reduce la fracción de masa del escenario o requiere medidas extraordinarias como la estabilización de presión de los tanques para reducir el peso. (Los tanques estabilizados por presión soportan la mayoría de las cargas con presión interna en lugar de estructuras sólidas, empleando principalmente la resistencia a la tracción del material del tanque. [ cita necesaria ] )
El programa de cohetes soviético, en parte debido a una falta de capacidad técnica, no utilizó hidrógeno líquido como propulsor hasta la etapa central de Energia en la década de 1980. [ cita necesaria ]
El motor de cohete líquido bipropulsor de oxígeno líquido e hidrógeno ofrece el mayor impulso específico para los cohetes convencionales. Este rendimiento adicional compensa en gran medida la desventaja de la baja densidad, que requiere depósitos de combustible más grandes. Sin embargo, un pequeño aumento del impulso específico en una aplicación de etapa superior puede dar lugar a un aumento significativo de la masa de la carga útil a la órbita. [15]
Los incendios en las plataformas de lanzamiento debido al queroseno derramado son más dañinos que los incendios de hidrógeno, principalmente por dos razones: primero, el queroseno arde aproximadamente un 20% más caliente en temperatura absoluta que el hidrógeno. La segunda razón es la flotabilidad del hidrógeno. Dado que el hidrógeno es un criógeno profundo, hierve rápidamente y asciende, debido a su muy baja densidad como gas. Incluso cuando el hidrógeno se quema, el H gaseoso
2El O que se forma tiene un peso molecular de sólo 18 AMU en comparación con las 29,9 AMU del aire, por lo que también aumenta rápidamente.
El queroseno derramado, por otro lado, cae al suelo y, si se enciende, puede arder durante horas si se derrama en grandes cantidades. Los incendios de queroseno inevitablemente causan grandes daños por calor que requieren reparaciones y reconstrucciones que requieren mucho tiempo. Esta es una lección que experimentan con mayor frecuencia los equipos de los bancos de pruebas involucrados en el disparo de motores de cohetes grandes y no probados.
Los motores alimentados con hidrógeno requieren un diseño especial, como hacer funcionar las líneas de propulsor horizontalmente, de modo que no se formen "trampas" en las líneas, lo que provocaría rupturas de tuberías debido a la ebullición en espacios reducidos. (La misma precaución se aplica a otros criógenos como el oxígeno líquido y el gas natural líquido (GNL)). El combustible de hidrógeno líquido tiene un excelente historial de seguridad y un rendimiento que está muy por encima de todos los demás propulsores químicos prácticos para cohetes.
La química de impulso específico más alta jamás probada en un motor de cohete fue litio y flúor , con hidrógeno agregado para mejorar la termodinámica del escape (todos los propulsores debían mantenerse en sus propios tanques, lo que lo convertía en un tripropelente ). La combinación entregó un impulso específico de 542 s en el vacío, equivalente a una velocidad de escape de 5320 m/s. La impracticabilidad de esta química pone de relieve por qué en realidad no se utilizan propulsores exóticos: para hacer que los tres componentes sean líquidos, el hidrógeno debe mantenerse por debajo de –252 °C (sólo 21 K) y el litio debe mantenerse por encima de 180 °C (453 K). . El litio y el flúor son extremadamente corrosivos. El litio se enciende al contacto con el aire y el flúor enciende la mayoría de los combustibles al contacto, incluido el hidrógeno. El flúor y el fluoruro de hidrógeno (HF) de los gases de escape son muy tóxicos, lo que dificulta el trabajo alrededor de la plataforma de lanzamiento, daña el medio ambiente y dificulta la obtención de una licencia de lanzamiento . Tanto el litio como el flúor son caros en comparación con la mayoría de los propulsores de cohetes. Por lo tanto, esta combinación nunca ha volado. [dieciséis]
Durante la década de 1950, el Departamento de Defensa propuso litio/flúor como propulsores de misiles balísticos. Un accidente ocurrido en 1954 en una fábrica química que liberó una nube de flúor a la atmósfera los convenció de utilizar LOX/RP-1 en su lugar.
El metano líquido tiene un impulso específico menor que el hidrógeno líquido, pero es más fácil de almacenar debido a su mayor punto de ebullición y densidad, así como a su falta de fragilización por hidrógeno . También deja menos residuos en los motores en comparación con el queroseno, lo que favorece la reutilización. [17] [18] Además, se espera que su producción en Marte sea posible mediante la reacción de Sabatier . En los documentos Mars Design Reference Mission 5.0 de la NASA (entre 2009 y 2012), la mezcla propulsora elegida para el módulo de aterrizaje fue metano líquido / LOX (methalox).
Debido a las ventajas que ofrece el combustible de metano, algunos proveedores privados de lanzamientos espaciales pretendieron desarrollar sistemas de lanzamiento basados en metano durante las décadas de 2010 y 2020. La competencia entre países se denominó la Carrera Methalox hacia la órbita, y el cohete metalox Zhuque-2 de LandSpace se convirtió en el primero en alcanzar la órbita. [19] [20] [21]
En enero de 2024 [update], dos cohetes alimentados con metano habían alcanzado la órbita. Varios otros están en desarrollo y dos intentos de lanzamiento orbital fracasaron:
SpaceX desarrolló el motor Raptor para su vehículo de lanzamiento súper pesado Starship. [24] Se ha utilizado en vuelos de prueba de 2019 a 2023. Anteriormente, SpaceX solo había utilizado RP-1 /LOX en sus motores.
Blue Origin desarrolló el motor BE-4 LOX/LNG para su New Glenn y United Launch Alliance Vulcan Centaur. El BE-4 proporcionará 2.400 kN (550.000 lbf) de empuje. A mediados de 2023 se entregaron dos motores de vuelo a ULA.
En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció planes para utilizar combustible de metano para su pequeño vehículo de lanzamiento de satélites, Firefly Alpha , con un diseño de motor aerospike . [25]
La ESA está desarrollando un motor de cohete Prometheus de metalox de 980 kN que se probó en 2023. [26]
A partir de 2018 [update], combinaciones de combustibles líquidos de uso común:
La tabla utiliza datos de las tablas termoquímicas de JANNAF (Comité Interagencial de Propulsión Conjunto Ejército-Marina-NASA-Fuerza Aérea (JANNAF)) en todo momento, con el mejor impulso específico posible calculado por Rocketdyne bajo los supuestos de combustión adiabática , expansión isentrópica , unidimensional. expansión y equilibrio cambiante. [28] Algunas unidades se han convertido al sistema métrico, pero las presiones no.
Definiciones de algunas de las mezclas:
No tiene todos los datos sobre CO/O 2 , previstos por la NASA para cohetes basados en Marte, sólo un impulso específico de unos 250 s.
El mercado total del hidrógeno en 1998 era de 390×10
9 Nm³/año + 110×10 Coproducción de 9 Nm³/a.
"Vamos a hacer metano". Musk anunció mientras describía sus planes futuros para vehículos de lanzamiento reutilizables, incluidos aquellos diseñados para llevar astronautas a Marte dentro de 15 años.