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Presurización autógena

Corte transversal del tanque externo del transbordador espacial

La presurización autógena es el uso de propulsor gaseoso autogenerado para presurizar el propulsor líquido en cohetes . Los cohetes tradicionales de propulsor líquido se han presurizado con mayor frecuencia con otros gases, como helio , lo que requiere llevar los tanques de presurizante junto con el sistema de plomería y control para usarlo. La presurización autógena se ha utilizado operativamente en el Titan 34D , [1] el transbordador espacial , [2] el Space Launch System , [3] y Starship . [4] Está previsto utilizar la presurización autógena en el New Glenn , [5] el Terran 1 [6] y el cohete Neutron de Rocket Lab . [7]

Fondo

A medida que el combustible se drena de su tanque, algo debe llenar el espacio vacío para mantener la presión dentro de los tanques. Esto se debe a dos razones: primero, los motores de cohetes requieren una presión de entrada mínima para evitar la cavitación en sus turbobombas y, segundo, los cohetes generalmente requieren que sus tanques estén presurizados para lograr resistencia estructural.

En la presurización autógena, se calienta una pequeña cantidad de propulsor hasta que se convierte en gas. Luego, ese gas se devuelve al tanque de propulsor líquido del que se obtuvo. Esto ayuda a mantener el propulsor líquido a la presión necesaria para alimentar los motores de un cohete. [8] Esto se logra a través de generadores de gas en los sistemas de motor de un cohete : tomados de un generador de gas ; alimentados a través de un intercambiador de calor ; o mediante calentadores eléctricos. [9] La presurización autógena ya se usaba en el cohete propulsor Titán en 1968 y se había probado con el motor RL10 , demostrando su idoneidad para motores de etapa superior . [10]

Tradicionalmente, la presurización del tanque se ha proporcionado mediante un gas inerte de alta presión, como helio o nitrógeno . La presurización autógena se ha descrito como menos y más compleja que el uso de helio o nitrógeno, pero proporciona ventajas significativas. La primera es para vuelos espaciales de largo plazo y misiones interplanetarias como ir y aterrizar en Marte . La eliminación de los gases inertes del uso permite el encendido del motor en un modo sin bombeo. Los mismos gases vaporizados se pueden utilizar para el control de actitud mono o bipropulsante . La reutilización del oxidante y el combustible a bordo también reduce la contaminación de los combustibles por gases inertes. [10]

Los beneficios de la reducción de riesgos provienen de la reducción de la necesidad de recipientes de almacenamiento de alta presión y del aislamiento completo de los sistemas de combustible y oxidante, eliminando una posible ruta de falla a través del subsistema de presurización (por ejemplo, SpaceX CRS-7 ). Este sistema también aumenta la capacidad de carga útil al reducir el peso de los componentes y del propulsor y aumentar la presión de la cámara . [10]

Un riesgo importante de la presurización autógena es que es propensa al colapso del vacío si el propulsor se agita . Si el gas del vacío se mezcla con el propulsor líquido, como durante las maniobras de una nave espacial, se enfriará y puede condensarse en líquido, lo que provocará una pérdida repentina de presión. [11] Por lo tanto, la presurización autógena es adecuada para motores de refuerzo que funcionarán bajo aceleración constante en una sola dirección, pero es difícil de usar cuando hay múltiples quemas de motor separadas por maniobras de gravedad cero.

Los motores RS-25 utilizaban presurización autógena para mantener la presión del combustible en el tanque externo del transbordador espacial . [12]

Referencias

  1. ^ Inman, Arthur E; Muehlbauer, John G. (1980). "Aumento del rendimiento del transbordador con el módulo de propulsión líquida Titan". Actas del Congreso Espacial . 1980 (17.°) Una nueva era en la tecnología: 66–76.
  2. ^ "HSF – The Shuttle". spaceflight.nasa.gov . Archivado desde el original el 10 de febrero de 2001 . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  3. ^ Clark, Stephen. «La etapa de exploración del SLS llega al sitio de lanzamiento de Florida – Spaceflight Now» . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  4. ^ Ralph, Eric (9 de mayo de 2019). "Starhopper de SpaceX obtiene cápsulas de propulsión a medida que aumentan los preparativos para la prueba de salto". TESLARATI . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  5. ^ "Nueva guía del usuario de Glenn Payload".
  6. ^ "Recarga de página completa". IEEE Spectrum: noticias sobre tecnología, ingeniería y ciencia . 25 de octubre de 2019. Consultado el 19 de abril de 2020 .
  7. ^ "Manley, Scott. "El diseño innovador del cohete de neutrones de Rocket Lab explicado por Peter Beck, director ejecutivo de Rocket Lab"". YouTube . 21 de diciembre de 2021.
  8. ^ Ralph, Eric (2 de abril de 2020). «La nave espacial SpaceX equipada con baterías y motores Tesla». Teslarati . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  9. ^ Ralph, Eric (24 de octubre de 2019). «SpaceX dice que Starship Mk1 probará el aterrizaje en paracaídas antes de finales de 2019». Teslarati . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  10. ^ abc Christian, C.; Lehmann, E.; Ruby, L. (10 de junio de 1968), "Presurización autógena para sistemas de propulsión de vehículos espaciales", 4.ª Conferencia de especialistas conjuntos en propulsión , Conferencias conjuntas sobre propulsión, Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, doi : 10.2514/6.1968-626
  11. ^ HQ Yang; Brandon Williams (25 de enero de 2023). Validación del colapso del espacio vacío debido a un violento chapoteo lateral . Foro de Ciencia y Tecnología de la AIAA. National Harbor, MD .
  12. ^ "El tanque externo". NASA . Consultado el 15 de abril de 2019 .