En el diseño de motores de cohetes , la refrigeración regenerativa es una configuración en la que parte o la totalidad del propulsor pasa a través de tubos, canales o en una camisa alrededor de la cámara de combustión o la boquilla para enfriar el motor. Esto es eficaz porque los propulsores suelen ser criogénicos. El propulsor calentado se introduce entonces en un generador de gas especial o se inyecta directamente en la cámara de combustión principal.
En 1857 Carl Wilhelm Siemens introdujo el concepto de refrigeración regenerativa. [1] El 10 de mayo de 1898, James Dewar utilizó la refrigeración regenerativa para convertirse en el primero en licuar estáticamente el hidrógeno. [2] El concepto de refrigeración regenerativa también se mencionó en 1903 en un artículo de Konstantin Tsiolkovsky . [3] Robert Goddard construyó el primer motor refrigerado regenerativamente en 1923, pero rechazó el esquema por ser demasiado complejo. [4] El investigador italiano Gaetano Arturo Crocco construyó un motor refrigerado regenerativamente en 1930. Los primeros motores soviéticos que emplearon la técnica fueron el OR-2 de Fridrikh Tsander probado en marzo de 1933 y el ORM-50, probado en banco en noviembre de 1933 por Valentin Glushko . El primer motor alemán de este tipo también fue probado en marzo de 1933 por Klaus Riedel en la VfR . El científico austriaco Eugen Sänger fue especialmente famoso por sus experimentos con refrigeración de motores a partir de 1933; sin embargo, la mayoría de sus motores experimentales estaban refrigerados por agua o por un circuito adicional de propulsor.
El motor cohete V-2 , el más potente de su tiempo con 25 toneladas (245 kN ) de empuje, se enfriaba de forma regenerativa, en un diseño de Walter Thiel , mediante combustible bombeado alrededor del exterior de la cámara de combustión entre la propia cámara de combustión y una carcasa exterior que se ajustaba a la cámara y estaba separada por unos pocos milímetros. Se descubrió que este diseño era insuficiente para enfriar la cámara de combustión debido al uso de acero para la cámara de combustión, y se agregó un sistema adicional de líneas de combustible en el exterior con conexiones a través de ambas carcasas de la cámara de combustión para inyectar combustible directamente en la cámara en un ángulo a lo largo de la superficie interior para enfriar aún más la cámara en un sistema llamado enfriamiento de película. Este diseño ineficiente requería la quema de alcohol diluido a baja presión de la cámara para evitar derretir el motor. El motor estadounidense Redstone utilizó el mismo diseño.
Una innovación clave en el campo de la refrigeración regenerativa fue el motor soviético U-1250 diseñado por Aleksei Mihailovich Isaev en 1945. Su cámara de combustión estaba revestida con una fina lámina de cobre sostenida por la pared de acero corrugado de la cámara. El combustible fluía a través de las corrugaciones y absorbía el calor de forma muy eficiente. Esto permitió utilizar combustibles más energéticos y presiones más altas en la cámara, y es el plan básico utilizado en todos los motores rusos desde entonces. Los motores estadounidenses solían resolver este problema recubriendo la cámara de combustión con tubos de cobre soldados o de aleación de níquel. Sólo recientemente, motores como el RS-68 han comenzado a utilizar la técnica rusa más barata. El estilo estadounidense de revestir el motor con tubos de cobre se denomina "construcción de espagueti" y el concepto se atribuye a Edward A. Neu de Reaction Motors Inc. en 1947.
El enfriamiento regenerativo sigue siendo el método predominante para gestionar las cargas térmicas en las cámaras de empuje. Normalmente, el combustible del cohete actúa como refrigerante cuando entra en el motor a través de los conductos de salida de la tobera. [5] Atraviesa la región de la garganta de alta temperatura y sale cerca de la cara del inyector. Estos conductos se crean soldando tubos de enfriamiento a la cámara de empuje o fresando canales a lo largo de las paredes de la cámara. Las secciones transversales de estos conductos son más pequeñas, lo que aumenta la velocidad del refrigerante y maximiza la eficiencia de enfriamiento en áreas de alta temperatura. [6]
El flujo de calor a través de la pared de la cámara es muy alto; por lo general, en el rango de 0,8 a 80 MW/m2 ( 0,5 a 50 BTU /in2 - sec). [7] : 98 Un método común para estimar el flujo de calor que fluye desde los gases de combustión calientes es utilizar la ecuación de Bartz: [8]
La cantidad de calor que puede fluir hacia el refrigerante está controlada por muchos factores, incluida la diferencia de temperatura entre la cámara y el refrigerante, el coeficiente de transferencia de calor , la conductividad térmica de la pared de la cámara, la velocidad del fluido dentro de los canales del refrigerante, la velocidad del flujo de gas en la cámara/boquilla, así como la capacidad térmica y la temperatura de entrada del fluido utilizado como refrigerante.
Se forman dos capas límite : una en el gas caliente en la cámara (que se modela con la ecuación de Bartz anterior) y la otra en el refrigerante dentro de los canales. [7] : 104–105
Normalmente, la mayor parte de la caída de temperatura se produce en la capa límite de los gases, ya que estos son conductores relativamente malos. Sin embargo, esta capa límite puede destruirse por inestabilidades de combustión y, poco después, puede producirse una falla de la pared.
La capa límite dentro de los canales de refrigerante también puede verse alterada si el refrigerante se encuentra a presión subcrítica y hierve en forma de película; el gas forma entonces una capa aislante y la temperatura de la pared aumenta muy rápidamente y pronto falla. Sin embargo, si el refrigerante entra en ebullición nucleada pero no forma una película, esto ayuda a alterar la capa límite del refrigerante y las burbujas de gas formadas colapsan rápidamente; esto puede triplicar el flujo de calor máximo. Sin embargo, muchos motores modernos con turbobombas utilizan refrigerantes supercríticos y estas técnicas rara vez se pueden utilizar.
El enfriamiento regenerativo rara vez se utiliza de forma aislada; el enfriamiento por película, [6] el enfriamiento por transpiración y el enfriamiento por radiación también se emplean con frecuencia.
Con la refrigeración regenerativa, la presión en los canales de refrigeración es mayor que la presión en la cámara. El revestimiento interior está bajo compresión, mientras que la pared exterior del motor está sometida a importantes tensiones circunferenciales .
El metal del revestimiento interior se debilita considerablemente por la alta temperatura y también sufre una importante expansión térmica en la superficie interior, mientras que la pared del lado frío del revestimiento limita la expansión. Esto genera tensiones térmicas significativas que pueden provocar que la superficie interior se agriete o se agriete después de múltiples cocciones, especialmente en la garganta.
Además, el fino revestimiento interior requiere un soporte mecánico para soportar la carga de compresión debida a la presión del propulsor; este soporte suele estar provisto por las paredes laterales de los canales de refrigeración y la placa de soporte. El revestimiento interior suele estar construido con materiales de alta conductividad térmica y relativamente resistentes a altas temperaturas; tradicionalmente se han utilizado aleaciones a base de cobre o níquel.
Se pueden utilizar varias técnicas de fabricación diferentes para crear la geometría compleja necesaria para la refrigeración regenerativa. Estas incluyen una lámina de metal corrugado soldada entre el revestimiento interior y exterior; cientos de tubos soldados con la forma correcta, o un revestimiento interior con canales de refrigeración fresados y un revestimiento exterior alrededor de este. [9] La geometría también se puede crear mediante impresión 3D directa de metal , como se ve en algunos diseños más nuevos, como el motor de cohete SpaceX SuperDraco .
