Ciclo del cohete expansor. Motor cohete expansor (ciclo cerrado). El calor de la boquilla y la cámara de combustión impulsa las bombas de combustible y oxidante.
El ciclo expansor es un ciclo de potencia de un motor de cohete bipropulsor . En este ciclo, el combustible se utiliza para enfriar la cámara de combustión del motor, captando calor y cambiando de fase. El combustible gaseoso ahora calentado alimenta la turbina que impulsa las bombas de combustible y oxidante del motor antes de ser inyectado en la cámara de combustión y quemado.
Debido al cambio de fase necesario, el ciclo del expansor 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 300 kN (70 000 lbf) de empuje, ya no hay suficiente área de boquilla para calentar suficiente combustible para impulsar las turbinas y, por tanto, las bombas de combustible. Se pueden lograr niveles de empuje más altos utilizando un ciclo expansor de derivación donde una porción del combustible pasa por alto la turbina o los conductos de enfriamiento de 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 escala isométricamente: el flujo de combustible y el área de la boquilla 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 alcance fácilmente su punto de ebullición .
Algunos motores de ciclo expansor pueden usar un generador de gas de algún tipo para arrancar la turbina y hacer funcionar el motor hasta que la entrada de calor desde 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 derivación de refrigerante).
Este ciclo operativo es una modificación del ciclo expansor tradicional. En el ciclo de purga (o abierto), en lugar de dirigir todo el propulsor calentado a través de la turbina y enviarlo de regreso para quemarlo, solo se usa una pequeña porción del propulsor calentado para impulsar la turbina y luego se purga y se ventila. por la borda sin pasar por la cámara de combustión. La otra parte se inyecta en la cámara de combustión. Purgar el 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 expansor estándar, esto permite un mayor empuje del motor a costa de la eficiencia al descargar el escape de la turbina. [2] [3]
El Mitsubishi LE-5A fue el primer motor de ciclo de purga con expansor del mundo que se puso en servicio operativo. [4] El Mitsubishi LE-9 es el primer motor de ciclo de purga con expansor de primera etapa del mundo. [5]
Expansor doble
De manera similar a que 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 de la bomba de las turbobombas elimina la necesidad de purgas y algunos modos de falla. Además, cuando la densidad del combustible y del oxidante es significativamente diferente, como es en el caso del H 2 / LOX , las velocidades óptimas de la turbobomba difieren tanto que necesitan una caja de cambios entre las bombas de combustible y de oxidante. [6] [7] El uso de un ciclo de expansión dual, con turbinas separadas, elimina esta pieza del equipo propensa a fallas. [7]
El ciclo de expansión dual se puede implementar usando secciones separadas en el sistema de enfriamiento regenerativo para el combustible y el oxidante, o usando 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 comburente para enfriar el inyector . En el segundo caso, se podría utilizar el combustible para enfriar todo el motor y un intercambiador de calor para hervir el oxidante. [7]
Ventajas
El ciclo expansor tiene una serie de ventajas sobre otros diseños: [ cita necesaria ]
Baja temperatura
Una vez que se han vuelto gaseosos, los propulsores suelen estar cerca de la temperatura ambiente y causan muy poco o ningún daño a la turbina, lo que permite que el motor sea reutilizable. Por el contrario, los motores con generador de gas o de combustión por etapas hacen funcionar sus turbinas a altas temperaturas.
Tolerancia
Durante el desarrollo del RL10, a los ingenieros les preocupaba que la espuma aislante montada en el interior del tanque pudiera romperse y dañar el motor. Lo probaron poniendo espuma suelta en un tanque de combustible y pasándola por el motor. El RL10 lo masticó 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 ello implica. Bloquear incluso una pequeña parte de un generador de gas puede provocar un punto caliente, lo que puede provocar 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, puede diseñarse fácilmente para soportar 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 intencionados. 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.
Uso
Los motores de ciclo expansor incluyen lo siguiente:
^ "Ariana 6". www.esa.int . Consultado el 21 de febrero de 2017 .
^ Sippel, Martín; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (23 de julio de 2003). Estudios sobre motores de ciclo de purga expansor para lanzadores (PDF) . 39ª Conferencia y exposición conjunta de propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE. AIAA . Archivado desde el original (PDF) el 3 de marzo de 2016 . Consultado el 25 de septiembre de 2016 .
^ Atsumi, Masahiro; Yoshikawa, Kimito; Ogawara, Akira; Onga, Tadaoki (diciembre de 2011). "Desarrollo del motor LE-X" (PDF) . Revisión técnica de Mitsubishi Heavy Industries . 48 (4). Industrias pesadas Mitsubishi : 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 .
^ Sutton, George P.; Biblarz, Óscar (2000). "Sección 6.6". Elementos de propulsión de cohetes: una introducción a la ingeniería de cohetes (PDF) (Séptima ed.). John Wiley & Sons, Inc. págs. 221–227. ISBN0-471-32642-9. Archivado 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 cohete de ciclo expansor dual con intercambiador de calor de ciclo cerrado intermedio", expedida el 2 de septiembre de 2008, asignada a los Estados Unidos de América representada por el Administrador de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio
^ "Pratt & Whitney Space Propulsion - hoja informativa del RL60". Archivado desde el original (PDF) el 28 de marzo de 2012 . Consultado el 28 de diciembre de 2008 .
^ "SER-3".
^ WATANABÉ, DAIKI; MANAKO, HIROYASU; ONGA, TADAOKI; TAMURA, TAKASHI; IKEDA, KAZUFUMI; ISONO, MITSNORI (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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