RP-1 (alternativamente, Rocket Propellant-1 o Refined Petroleum-1 ) es una forma altamente refinada de queroseno aparentemente similar al combustible para aviones , que se utiliza como combustible para cohetes . El RP-1 proporciona un impulso específico menor que el hidrógeno líquido (H 2 ), pero es más barato, estable a temperatura ambiente y presenta un menor riesgo de explosión. El RP-1 es mucho más denso que el H2 , lo que le confiere una mayor densidad energética (aunque su energía específica es menor). El RP-1 también tiene una fracción de la toxicidad y los riesgos cancerígenos de la hidrazina , otro combustible líquido a temperatura ambiente.
RP-1 es un combustible en los propulsores de primera etapa de los cohetes Electron , Soyuz , Zenit , Delta I-III , Atlas , Falcon , Antares y Tronador II . También impulsó las primeras etapas de Energia , Titan I , Saturn I e IB y Saturn V. La Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO) también está desarrollando un motor alimentado con RP-1 para sus futuros cohetes. [2]
Durante e inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial, los alcoholes (principalmente etanol , ocasionalmente metanol ) se utilizaron comúnmente como combustible para grandes cohetes de combustible líquido . Su alto calor de vaporización evitó que los motores refrigerados de forma regenerativa se derritieran, especialmente teniendo en cuenta que los alcoholes normalmente contienen varios porcentajes de agua. Sin embargo, se reconoció que los combustibles de hidrocarburos aumentarían la eficiencia del motor, debido a una densidad ligeramente mayor , la falta de un átomo de oxígeno en la molécula del combustible y un contenido de agua insignificante. Independientemente del hidrocarburo elegido, también tendría que sustituir al alcohol como refrigerante.
Muchos de los primeros cohetes quemaban queroseno , pero a medida que aumentaron los tiempos de combustión, la eficiencia de la combustión y la presión de la cámara de combustión, las masas del motor disminuyeron, lo que provocó temperaturas inmanejables en el motor. El queroseno crudo utilizado como refrigerante tiende a disociarse y polimerizarse . Los productos ligeros en forma de burbujas de gas provocan cavitación y los pesados en forma de depósitos de cera bloquean los estrechos conductos de refrigeración del motor. La falta de refrigerante resultante eleva aún más las temperaturas y provoca una mayor polimerización, lo que acelera la descomposición. El ciclo aumenta rápidamente (es decir, descontrol térmico ) hasta que se produce una ruptura de la pared del motor u otra falla mecánica, y persiste incluso cuando todo el flujo de refrigerante consiste en queroseno. A mediados de la década de 1950, los diseñadores de cohetes recurrieron a los químicos para formular un hidrocarburo resistente al calor, y el resultado fue el RP-1.
Durante la década de 1950, LOX ( oxígeno líquido ) se convirtió en el oxidante preferido para usar con RP-1, [3] aunque también se han empleado otros oxidantes.
Primero, el azufre y los compuestos de azufre atacan los metales a altas temperaturas, e incluso cantidades muy pequeñas de azufre ayudan a la polimerización . Por tanto, el azufre y los compuestos azufrados se mantienen al mínimo .
Los compuestos insaturados ( alquenos , alquinos y aromáticos ) también se mantienen en niveles bajos, ya que tienden a polimerizarse a altas temperaturas y largos períodos de almacenamiento. En ese momento, se pensó que los misiles alimentados con queroseno podrían permanecer almacenados durante años en espera de ser activados. Esta función se transfirió posteriormente a los cohetes de combustible sólido , aunque se mantuvieron los beneficios de los hidrocarburos saturados a alta temperatura. Debido a los bajos niveles de alquenos y aromáticos, el RP-1 es menos tóxico que varios combustibles para aviones y diésel, y mucho menos tóxico que la gasolina.
Se seleccionaron o sintetizaron los isómeros más deseables , reduciendo el número de alcanos lineales en favor de un mayor número de alcanos cíclicos y altamente ramificados. Así como las moléculas cíclicas y ramificadas mejoran el octanaje de la gasolina , también aumentan significativamente la estabilidad térmica a altas temperaturas. Los isómeros más deseables son los policíclicos como los ladderanos .
Por el contrario, las principales aplicaciones del queroseno (aviación, calefacción e iluminación) están mucho menos relacionadas con la degradación térmica y, por lo tanto, no requieren una optimización estricta de sus isómeros.
En la producción, estos grados se procesan de manera estricta para eliminar impurezas y fracciones secundarias. Se temía que las cenizas bloquearan las líneas de combustible y los conductos del motor, y desgastaran las válvulas y los cojinetes de la turbobomba , ya que estos son lubricados por el combustible. Las fracciones ligeramente demasiado pesadas o demasiado ligeras afectaban la capacidad de lubricación y era probable que se separaran durante el almacenamiento y bajo carga. Los hidrocarburos restantes tienen una masa de C 12 o cercana a ella . Debido a la falta de hidrocarburos ligeros, el RP-1 tiene un alto punto de inflamación y presenta menos riesgo de incendio que la gasolina.
En total, el producto final es mucho más caro que el queroseno común. Cualquier petróleo puede producir RP-1 con suficiente refinamiento, aunque el queroseno apto para cohetes del mundo real se obtiene de un pequeño número de yacimientos petrolíferos con una base de alta calidad, o puede sintetizarse artificialmente . Esto, junto con la demanda relativamente pequeña en un nicho de mercado en comparación con otros usuarios de petróleo, impulsa el alto precio del RP-1. Las especificaciones militares del RP-1 se tratan en MIL-R-25576, [4] y las propiedades químicas y físicas del RP-1 se describen en NISTIR 6646. [5]
En Rusia y otros países de la ex Unión Soviética, las dos principales formulaciones de queroseno para cohetes son T-1 y RG-1 . Las densidades son ligeramente más altas,0,82 a 0,85 g / mL , en comparación con RP-1 en0,81 g/ml . Por un corto período, [ ¿cuándo? ] Los soviéticos lograron densidades aún mayores enfriando el queroseno en los tanques de combustible del cohete, pero esto frustró parcialmente el propósito de usar queroseno en lugar de otros combustibles súper enfriados. [ se necesita aclaración ] En el caso de la Soyuz y la R-7 , la penalización por temperatura fue menor. Ya existían instalaciones para gestionar el oxígeno líquido criogénico y el nitrógeno líquido del vehículo , los cuales son mucho más fríos que el queroseno. El tanque central de queroseno del lanzador está rodeado por cuatro lados y por la parte superior por tanques de oxígeno líquido; El tanque de nitrógeno líquido está cerca en la parte inferior. Los tanques de queroseno de los cuatro propulsores son relativamente pequeños y compactos, y también se encuentran entre un tanque de oxígeno líquido y un tanque de nitrógeno líquido. Por lo tanto, una vez que el queroseno se enfrió inicialmente, podría permanecer así durante el breve tiempo necesario para finalizar los preparativos del lanzamiento. La última versión del Falcon 9, Falcon 9 Full Thrust , también tiene la capacidad de subenfriar el combustible del RP-1 para−7 °C , dando unaAumento de densidad del 2,5 % al 4 % .
Químicamente, un propulsor de hidrocarburos es menos eficiente que el combustible de hidrógeno porque el hidrógeno libera más energía por unidad de masa durante la combustión, lo que permite una mayor velocidad de escape. Esto se debe, en parte, a la gran masa de los átomos de carbono en relación con los átomos de hidrógeno. Los motores de hidrocarburos también suelen funcionar con alto contenido de combustible, lo que produce algo de CO en lugar de CO 2 como consecuencia de una combustión incompleta, aunque esto no es exclusivo de los motores de hidrocarburos, ya que los motores de hidrógeno también suelen funcionar con alto contenido de combustible para obtener el mejor rendimiento general. Algunos motores rusos hacen funcionar sus prequemadores de turbobomba con alto contenido de oxígeno, pero la cámara de combustión principal sigue funcionando con alto contenido de combustible. En total, los motores de queroseno generan un I sp en el rango de270 a 360 s , mientras que los motores de hidrógeno alcanzan370 a 465 s .
Durante el apagado del motor, el flujo de combustible llega a cero rápidamente, mientras el motor todavía está bastante caliente. El combustible residual y atrapado puede polimerizarse o incluso carbonizarse en puntos calientes o en componentes calientes. Incluso sin puntos calientes, los combustibles pesados pueden crear residuos de petróleo, como se puede observar en los tanques de gasolina, diésel o combustible para aviones que han estado en servicio durante años. Los motores de cohetes tienen ciclos de vida medidos en minutos o incluso segundos, lo que evita depósitos verdaderamente pesados. Sin embargo, los cohetes son mucho más sensibles a los depósitos, como se describió anteriormente. Por lo tanto, los sistemas de queroseno generalmente implican más desmontajes y revisiones, lo que genera gastos operativos y laborales. Esto es un problema para los motores prescindibles, así como para los reutilizables, porque los motores deben dispararse desde tierra varias veces antes del lanzamiento. Incluso las pruebas de flujo en frío, en las que los propulsores no se encienden, pueden dejar residuos.
Por el lado positivo, por debajo de una presión de la cámara de aproximadamente 1000 psi (7 MPa), el queroseno puede producir depósitos de hollín en el interior de la boquilla y el revestimiento de la cámara. Esto actúa como una importante capa aislante y puede reducir el flujo de calor hacia la pared aproximadamente en un factor de dos. Sin embargo, la mayoría de los motores de hidrocarburos modernos funcionan por encima de esta presión, por lo que este no es un efecto significativo para la mayoría de los motores.
Los motores recientes de hidrocarburos pesados han modificado componentes y nuevos ciclos operativos, en un intento por gestionar mejor el combustible sobrante, lograr un enfriamiento más gradual, o ambas cosas. Esto todavía plantea el problema de los residuos de petróleo no disociados. Otros motores nuevos han intentado evitar el problema por completo, cambiando a hidrocarburos ligeros como el metano o el gas propano . Ambos son volátiles, por lo que los residuos del motor simplemente se evaporan. Si es necesario, se pueden hacer pasar disolventes u otros purgantes por el motor para finalizar la dispersión. La cadena corta de carbono del propano (una molécula de C 3 ) es muy difícil de romper; el metano, con un solo átomo de carbono (C 1 ), técnicamente no es una cadena en absoluto. Los productos de degradación de ambas moléculas también son gases, con menos problemas por separación de fases y mucha menos probabilidad de polimerización y deposición. Sin embargo, el metano (y en menor medida el propano) reintroduce inconvenientes de manipulación que provocaron el uso de querosenos en un principio.
La baja presión de vapor del queroseno brinda seguridad al personal de tierra. Sin embargo, en vuelo, el tanque de queroseno necesita un sistema de presurización separado para reemplazar el volumen de combustible a medida que se drena. Generalmente, se trata de un tanque independiente de líquido o gas inerte a alta presión, como nitrógeno o helio . Esto genera costos y peso adicionales. Los propulsores criogénicos o volátiles generalmente no necesitan un presurizador separado; en cambio, parte del propulsor se expande (a menudo con el calor del motor) hasta convertirlo en gas de baja densidad y se devuelve a su tanque. Algunos diseños de propulsores altamente volátiles ni siquiera necesitan el circuito de gas; parte del líquido se vaporiza automáticamente para llenar su propio recipiente. Algunos cohetes utilizan gas de un generador de gas para presurizar el tanque de combustible; Por lo general, se trata del escape de una turbobomba . Aunque esto ahorra el peso de un sistema de gas separado, el circuito ahora tiene que manejar un gas reactivo caliente en lugar de uno frío e inerte.
Independientemente de las limitaciones químicas, el RP-1 tiene limitaciones de suministro debido al tamaño muy pequeño de la industria de vehículos de lanzamiento en comparación con otros consumidores de petróleo. Si bien el precio del material de un hidrocarburo tan altamente refinado es aún menor que el de muchos otros propulsores de cohetes, el número de proveedores de RP-1 es limitado. Algunos motores han intentado utilizar productos derivados del petróleo más estándar y ampliamente distribuidos, como combustible para aviones o incluso diésel (por ejemplo, el motor E2 de ABL Space Systems puede funcionar con RP-1 o Jet-A). Al utilizar métodos de enfriamiento del motor alternativos o suplementarios, algunos motores pueden tolerar formulaciones no óptimas.
Cualquier combustible a base de hidrocarburos produce más contaminación del aire cuando se quema que el hidrógeno solo. La combustión de hidrocarburos produce emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), mientras que el hidrógeno (H 2 ) reacciona con el oxígeno (O 2 ) para producir sólo agua (H 2 O), con algo de H sin reaccionar. 2 también lanzados. Tanto los combustibles a base de hidrocarburos como el combustible de hidrógeno crearán óxidos de nitrógeno (NO x ), contaminantes, porque las temperaturas de escape de los cohetes superiores a 1.600 °C (2.900 °F) combinarán térmicamente parte del nitrógeno (N 2 ) y el oxígeno (O 2 ) que ya existen. presentes en la atmósfera, para crear óxidos de nitrógeno.
Los cohetes iniciales de Robert H. Goddard utilizaban gasolina.
Mientras se desarrollaba la especificación RP-1, Rocketdyne estaba experimentando con dietilciclohexano. Si bien es superior al RP-1, nunca se adoptó para su uso: su formulación no se terminó antes del desarrollo de Atlas y Titan I (diseñados alrededor del RP-1), lo que llevó al RP-1 a convertirse en el combustible de hidrocarburos estándar para cohetes. [7]
Las formulaciones soviéticas se analizan anteriormente. Además, los soviéticos utilizaron brevemente syntin (ruso: синтин ), una formulación de mayor energía, utilizada en etapas superiores . Syntin es 1-metil-1,2-diciclopropil ciclopropano ( C
10h
dieciséis). Rusia también está trabajando para cambiar la Soyuz-2 de RP-1 a "naftil" [8] o "naftilo". [9] [10]
Después del estándar RP-1, se desarrolló el RP-2. La principal diferencia es un contenido de azufre aún menor. Sin embargo, como la mayoría de los usuarios aceptan el RP-1, había pocos incentivos para producir y almacenar una segunda formulación, aún más rara y cara.
El grupo OTRAG lanzó vehículos de prueba con mezclas más comunes. Al menos en un caso, un cohete fue propulsado por combustible diésel . Sin embargo, ningún cohete OTRAG se acercó siquiera a la órbita. [ cita necesaria ]