Un propulsor hipergólico es una combinación de propulsores de cohetes utilizada en un motor de cohete , cuyos componentes se encienden espontáneamente cuando entran en contacto entre sí.
Los dos componentes del propulsor suelen consistir en un combustible y un oxidante . Las principales ventajas de los propulsores hipergólicos son que se pueden almacenar como líquidos a temperatura ambiente y que los motores que funcionan con ellos son fáciles de encender de forma fiable y repetida. Los propulsores hipergólicos comunes son difíciles de manipular debido a su extrema toxicidad o corrosividad .
En el uso contemporáneo, los términos "hipergol" y "propelente hipergólico" generalmente significan la combinación de propulsores más común: tetróxido de dinitrógeno más hidrazina . [1]
En 1935, Hellmuth Walter descubrió que el hidrato de hidracina era hipergólico con peróxido de alta concentración de 80-83%. Probablemente fue el primero en descubrir este fenómeno y se puso a trabajar en el desarrollo de un combustible. El profesor Otto Lutz ayudó a la empresa Walter con el desarrollo de C-Stoff que contenía 30% de hidrato de hidracina, 57% de metanol y 13% de agua, y se encendía espontáneamente con peróxido de hidrógeno de alta concentración . [2] : 13 BMW desarrolló motores que quemaban una mezcla hipergólica de ácido nítrico con varias combinaciones de aminas, xilidinas y anilinas . [3]
Los propulsores hipergólicos fueron descubiertos de forma independiente, por segunda vez, en los EE. UU. por investigadores de GALCIT y Navy Annapolis en 1940. Desarrollaron motores propulsados por anilina y ácido nítrico fumante rojo (RFNA). [4] Robert Goddard , Reaction Motors y Curtiss-Wright trabajaron en motores de anilina/ácido nítrico a principios de la década de 1940, para misiles pequeños y despegue asistido por jet ( JATO ). El proyecto dio como resultado el exitoso despegue asistido de varios bombarderos Martin PBM y PBY, pero el proyecto no fue del agrado debido a las propiedades tóxicas tanto del combustible como del oxidante, así como al alto punto de congelación de la anilina. El segundo problema finalmente se resolvió mediante la adición de pequeñas cantidades de alcohol furfurílico a la anilina. [2] : 22–23
En Alemania, desde mediados de la década de 1930 hasta la Segunda Guerra Mundial , los propulsores de cohetes se clasificaron ampliamente como monergoles , hipergoles, no hipergoles y litergoles . La terminación ergol es una combinación del griego ergon o trabajo y el latín oleum o aceite, influenciada posteriormente por el sufijo químico -ol de alcohol . [Nota 1] Los monergoles eran monopropulsores , mientras que los no hipergoles eran bipropulsores que requerían ignición externa, y los litergoles eran híbridos sólido/líquido. Los propulsores hipergólicos (o al menos la ignición hipergólica) eran mucho menos propensos a arranques difíciles que la ignición eléctrica o pirotécnica. La terminología "hipergol" fue acuñada por el Dr. Wolfgang Nöggerath, en la Universidad Técnica de Brunswick , Alemania. [5]
El único caza propulsado por cohetes que se utilizó fue el Messerschmitt Me 163 B Komet . El Komet tenía un HWK 109-509 , un motor cohete que consumía metanol/hidrazina como combustible y peróxido de alto rendimiento T-Stoff como oxidante. El motor cohete hipergólico tenía la ventaja de un ascenso rápido y tácticas de impacto rápido a costa de ser muy volátil y capaz de explotar con cualquier grado de descuido. Otros cazas cohete de combate propuestos, como el Heinkel Julia y aviones de reconocimiento como el DFS 228, estaban destinados a utilizar la serie de motores cohete Walter 509, pero además del Me 163, solo el caza desechable de lanzamiento vertical Bachem Ba 349 Natter fue probado en vuelo con el sistema de propulsión cohete Walter como su sistema principal de empuje sostenido para aviones de propósito militar.
Los primeros misiles balísticos , como el R-7 soviético que lanzó el Sputnik 1 y los Atlas y Titan-1 estadounidenses , usaban queroseno y oxígeno líquido . Aunque son los preferidos en los lanzadores espaciales, las dificultades de almacenar un criógeno como el oxígeno líquido en un misil que debía mantenerse listo para el lanzamiento durante meses o años a la vez llevaron a un cambio a los propulsores hipergólicos en el Titan II estadounidense y en la mayoría de los misiles balísticos intercontinentales soviéticos, como el R-36 . Pero las dificultades de esos materiales corrosivos y tóxicos, incluidas las fugas que causaban lesiones y la explosión de un Titan-II en su silo, [6] llevaron a su reemplazo casi universal por propulsores de combustible sólido , primero en los misiles balísticos lanzados desde submarinos occidentales y luego en los misiles balísticos intercontinentales estadounidenses y soviéticos con base en tierra. [2] : 47
El módulo lunar Apolo , utilizado en los alunizajes , empleó combustibles hipergólicos tanto en los motores de los cohetes de ascenso como de descenso. La nave espacial Apolo utilizó la misma combinación para el sistema de propulsión de servicio . Esas naves espaciales y el transbordador espacial (entre otras) utilizaron propulsores hipergólicos para sus sistemas de control de reacción .
La tendencia entre las agencias occidentales de lanzamiento espacial es alejarse de los grandes motores de cohetes hipergólicos y acercarse a los motores de hidrógeno/oxígeno o metano/oxígeno y motores RP-1 /oxígeno por diversas ventajas y desventajas . Los Ariane 1 a 4, con sus primeras y segundas etapas hipergólicas (y los propulsores hipergólicos opcionales en los Ariane 3 y 4) han sido retirados y reemplazados por el Ariane 5, que utiliza una primera etapa alimentada por hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Los Titan II, III y IV, con sus primeras y segundas etapas hipergólicas, también han sido retirados para el Atlas V (RP-1/oxígeno) y el Delta IV (hidrógeno/oxígeno). Los propulsores hipergólicos todavía se utilizan en las etapas superiores, cuando se requieren múltiples períodos de quema-desgaste, y en los sistemas de escape de lanzamiento .
Los motores de cohetes alimentados con combustible hipergólico suelen ser sencillos y fiables porque no necesitan un sistema de encendido. Aunque los motores hipergólicos más grandes de algunos vehículos de lanzamiento utilizan turbobombas , la mayoría de los motores hipergólicos se alimentan a presión. Un gas, normalmente helio , se introduce a presión en los tanques de propulsor a través de una serie de válvulas de retención y seguridad . Los propulsores, a su vez, fluyen a través de válvulas de control hacia la cámara de combustión; allí, su encendido por contacto instantáneo evita que se acumule una mezcla de propulsores sin reaccionar y luego se encienda en un arranque brusco potencialmente catastrófico .
Como los cohetes hipergólicos no necesitan un sistema de ignición, pueden dispararse cualquier número de veces simplemente abriendo y cerrando las válvulas de propulsor hasta que se agoten los propulsores y, por lo tanto, son especialmente adecuados para maniobrar naves espaciales y muy adecuados, aunque no exclusivamente, como etapas superiores de lanzaderas espaciales como el Delta II y el Ariane 5 , que deben realizar más de una combustión. Sin embargo, existen motores de cohetes no hipergólicos reiniciables, en particular el criogénico (oxígeno/hidrógeno) RL-10 en el Centaur y el J-2 en el Saturn V. El RP-1 /LOX Merlin en el Falcon 9 también se puede reiniciar. [7]
Los combustibles hipergólicos más comunes, hidracina , monometilhidracina y dimetilhidracina asimétrica , y el oxidante, tetróxido de nitrógeno , son todos líquidos a temperaturas y presiones ordinarias. Por lo tanto, a veces se los llama propulsores líquidos almacenables . Son adecuados para su uso en misiones espaciales que duran muchos años. La criogenia del hidrógeno líquido y el oxígeno líquido ha limitado hasta ahora su uso práctico a los vehículos de lanzamiento espacial donde necesitan almacenarse solo brevemente. [8] Como el mayor problema con el uso de propulsores criogénicos en el espacio interplanetario es la evaporación, que depende en gran medida de la escala de la nave espacial, para naves más grandes como Starship esto es un problema menor.
Otra ventaja de los propelentes hipergólicos es su alta densidad en comparación con los propelentes criogénicos. El LOX tiene una densidad de 1,14 g/ml, mientras que, por otro lado, los oxidantes hipergólicos como el ácido nítrico o el tetróxido de nitrógeno tienen una densidad de 1,55 g/ml y 1,45 g/ml respectivamente. El combustible LH2 ofrece un rendimiento extremadamente alto, pero su densidad solo justifica su uso en las etapas más grandes de los cohetes, mientras que las mezclas de hidracina y UDMH tienen una densidad al menos diez veces mayor. [9] Esto es de gran importancia en las sondas espaciales , ya que la mayor densidad del propulsor permite reducir significativamente el tamaño de su tanque de propulsor, lo que a su vez permite que la sonda encaje dentro de un carenado de carga útil más pequeño .
En relación con su masa, los propulsores hipergólicos tradicionales poseen un valor calorífico inferior al de las combinaciones de propulsores criogénicos como LH2 / LOX o LCH4 / LOX . [10] Por lo tanto, un vehículo de lanzamiento que utiliza propulsores hipergólicos debe transportar una mayor masa de combustible que uno que utiliza estos combustibles criogénicos.
La corrosividad , toxicidad y carcinogenicidad de los hipergólicos tradicionales requieren precauciones de seguridad costosas. [11] [12] El incumplimiento de los procedimientos de seguridad adecuados con una mezcla propulsora de ácido nítrico y UDMH excepcionalmente peligrosa apodada "Veneno del Diablo" , por ejemplo, resultó en el accidente de cohetería más mortal de la historia, la catástrofe de Nedelin . [13]
Las combinaciones comunes de propulsores hipergólicos incluyen: [14]
Los propelentes hipergólicos menos comunes u obsoletos incluyen:
Las sustancias pirofóricas , que se inflaman espontáneamente en presencia de aire, también se utilizan a veces como combustible para cohetes o para inflamar otros combustibles. Por ejemplo, una mezcla de trietilborano y trietilaluminio (que son pirofóricos por separado y, más aún, juntos) se utilizó para el arranque de los motores del SR-71 Blackbird y de los motores F-1 del cohete Saturno V , y se utiliza en los motores Merlin de los cohetes Falcon 9 de SpaceX .
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