Los monopropulsores [1] son propulsores que consisten en sustancias químicas que liberan energía mediante descomposición química exotérmica. La energía del enlace molecular del monopropulsor se libera normalmente mediante el uso de un catalizador. Esto puede contrastarse con los bipropulsores que liberan energía a través de la reacción química entre un oxidante y un combustible. Si bien son estables en condiciones de almacenamiento definidas, los monopropulsores se descomponen muy rápidamente en otras condiciones determinadas para producir un gran volumen de sus propios gases energéticos (calientes) para realizar trabajos mecánicos. Aunque los deflagrantes sólidos como la nitrocelulosa , el propulsor más comúnmente utilizado en armas de fuego, podrían considerarse monopropulsores, el término suele reservarse para líquidos en la literatura de ingeniería. [2]
El uso más común de los monopropulsores [3] es en motores de cohetes monopropulsores de bajo impulso , [4] como propulsores de control de reacción , siendo el propulsor habitual la hidracina [5] [6] que generalmente se descompone por exposición a un iridio [7] [8] lecho de catalizador (la hidracina se precalienta para mantener el reactivo líquido). Esta descomposición produce el deseado chorro de gas caliente y, por tanto, el empuje . El peróxido de hidrógeno [9] se ha utilizado como fuente de energía para bombas de tanques de propulsor en cohetes como el V-2 alemán de la Segunda Guerra Mundial y el Redstone estadounidense . [10] El peróxido de hidrógeno pasa a través de una malla catalizadora de platino , [9] o entra en contacto con perlas cerámicas impregnadas de dióxido de manganeso , o se coinyecta una solución de permanganato Z-Stoff , lo que hace que el peróxido de hidrógeno se descomponga en vapor caliente y oxígeno. .
Los monopropulsores también se utilizan en algunos sistemas de propulsión independientes del aire (AIP) para "alimentar" motores alternativos o de turbina en entornos donde no hay oxígeno libre disponible. Las armas destinadas principalmente al combate entre submarinos de propulsión nuclear generalmente entran en esta categoría. El propulsor más utilizado en este caso es el dinitrato de propilenglicol estabilizado ( PGDN ), a menudo denominado " combustible Otto ". Un posible uso futuro de los monopropulsores no directamente relacionados con la propulsión es en centrales eléctricas compactas de alta intensidad para entornos acuáticos o exoatmosféricos.
En Estados Unidos se trabajó mucho en las décadas de 1950 y 1960 para intentar encontrar monopropulsores mejores y más energéticos. En su mayor parte, los investigadores llegaron a la conclusión de que cualquier sustancia que contuviera suficiente energía para competir con los bipropulsores sería demasiado inestable para manipularla con seguridad en condiciones prácticas. Con nuevos materiales, sistemas de control y requisitos para propulsores de alto rendimiento, los ingenieros se preguntan actualmente [ ¿cuándo? ] reexaminar esta suposición. [ cita necesaria ]
Muchos ésteres de alcohol parcialmente nitrados son adecuados para su uso como monopropulsores. El "dinitrato de trimetilenoglicol" o dinitrato de 1,3-propanodiol es isómero con PGDN y se produce como un subproducto fraccionado en todas las condiciones de laboratorio, excepto en las más exigentes; la gravedad específica marginalmente menor (y por tanto la densidad de energía ) de este compuesto va en contra de su uso, pero las pequeñas diferencias químicas pueden resultar útiles en el futuro. [ cita necesaria ]
El "dinitrodiglicol" relacionado, más propiamente denominado dinitrato de dietilenglicol en notación moderna, se utilizó ampliamente en la Alemania de la Segunda Guerra Mundial, solo como monopropulsor líquido y coloidal con nitrocelulosa como propulsor sólido. Las características deseables de este compuesto; es bastante estable, fácil de fabricar y tiene una densidad energética muy alta; se ven empañados por un alto punto de congelación (-11,5 grados C) y una pronunciada expansión térmica, ambos problemas en las naves espaciales. La "dinitroclorhidrina" y la "tetranitrodiglicerina" también son candidatos probables, aunque no se conoce su uso actual. Los polinitratos de hidrocarburos aromáticos y de cadena larga son invariablemente sólidos a temperatura ambiente, pero muchos son solubles en alcoholes o éteres simples en alta proporción y pueden ser útiles en este estado. [ cita necesaria ]
La hidracina , [6] [11] el óxido de etileno , [12] el peróxido de hidrógeno (especialmente en su forma alemana de la Segunda Guerra Mundial como T-Stoff ), [13] y el nitrometano [14] son monopropulsores comunes para cohetes. Como se señaló, el impulso específico de los monopropulsores es menor [3] [15] que el de los bipropulsores y se puede encontrar con la herramienta Código de impulso específico del equilibrio químico de la Fuerza Aérea. [dieciséis]
Un monopropulsor más nuevo que se está desarrollando es el óxido nitroso , tanto puro como en forma de mezclas de combustibles de óxido nitroso . El óxido nitroso ofrece las ventajas de ser autopresurizante y de ser relativamente no tóxico, con un impulso específico intermedio entre el peróxido de hidrógeno y la hidracina. [17] El óxido nitroso genera oxígeno al descomponerse y es posible mezclarlo con combustibles para formar una mezcla monopropulsor con un impulso específico de hasta 325 s, comparable a los bipropelentes hipergólicos . [18] En 2018 se inventó un nuevo catalizador de metal precioso para su uso con óxido nitroso (óxido de rodio en esferas de alúmina), que es más estable a temperaturas más altas que el rodio o el iridio puro. [19]
La comparación directa de las propiedades físicas, el rendimiento, el costo, la capacidad de almacenamiento, la toxicidad, los requisitos de almacenamiento y las medidas de liberación accidental del peróxido de hidrógeno, el nitrato de hidroxilamonio (HAN), la hidracina y varios monopropulsores de gases fríos muestra que la hidracina es la de mayor rendimiento en términos de impulso específico. Sin embargo, la hidracina también es la más cara y tóxica. Además, el HAN y el peróxido de hidrógeno tienen el impulso de mayor densidad (impulso total por unidad de volumen dada). [20]
Propulsor de cohete que consiste en una sola sustancia, especialmente un líquido, capaz de generar empuje de cohete sin la adición de una segunda sustancia.
