Un propulsor (o propulsor ) es una masa que se expulsa o expande de tal manera que se crea un empuje u otra fuerza motriz de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , e "impulsa" un vehículo, proyectil o carga útil de fluido . En los vehículos, se llama motor de reacción al motor que expulsa el propulsor . Aunque técnicamente un propulsor es la masa de reacción utilizada para crear empuje, el término "propulsor" se utiliza a menudo para describir una sustancia que contiene tanto la masa de reacción como el combustible que retiene la energía utilizada para acelerar la masa de reacción. Por ejemplo, el término "propulsor" se utiliza a menudo en el diseño de cohetes químicos para describir una combinación de combustible/propulsor, aunque los propulsores no deben confundirse con el combustible que utiliza un motor para producir la energía que expulsa el propulsor. Aunque los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se utilizan a menudo como masa de reacción para crear el empuje, como ocurre con un motor de cohete químico, el propulsor y el combustible son dos conceptos distintos.
Los vehículos pueden usar propulsores para moverse expulsando un propulsor hacia atrás, lo que crea una fuerza opuesta que mueve el vehículo hacia adelante. Los proyectiles pueden utilizar propulsores que son gases en expansión que proporcionan la fuerza motriz para poner el proyectil en movimiento. Las latas de aerosol usan propulsores que son fluidos que se comprimen de modo que cuando se permite que el propulsor escape al soltar una válvula, la energía almacenada por la compresión mueve el propulsor fuera de la lata y ese propulsor fuerza a la carga útil del aerosol a salir junto con el propulsor. El fluido comprimido también se puede utilizar como propulsor de vehículo simple, utilizándose la energía potencial que se almacena en el fluido comprimido para expulsar el fluido como propulsor. La energía almacenada en el fluido se agregó al sistema cuando se comprimió el fluido, como el aire comprimido . La energía aplicada a la bomba o sistema térmico que se utiliza para comprimir el aire se almacena hasta que se libera permitiendo que escape el propulsor. El fluido comprimido también se puede utilizar sólo como almacenamiento de energía junto con alguna otra sustancia como propulsor, como en un cohete de agua , donde la energía almacenada en el aire comprimido es el combustible y el agua es el propulsor.
En las naves espaciales propulsadas eléctricamente , se utiliza electricidad para acelerar el propulsor. Se puede usar una fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o se puede usar la fuerza de Lorentz para expulsar iones negativos y electrones como propulsor. Los motores electrotérmicos utilizan la fuerza electromagnética para calentar gases de bajo peso molecular (p. ej., hidrógeno, helio, amoníaco) hasta convertirlos en plasma y expulsar el plasma como propulsor. En el caso de un motor de cohete resistojet , el propulsor comprimido simplemente se calienta mediante calentamiento resistivo a medida que se expulsa para crear más empuje.
En los cohetes y aviones químicos, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que puede dirigirse a través de una boquilla , produciendo así empuje. En los cohetes, la quema de combustible para cohetes produce un escape, y el material agotado generalmente se expulsa como propulsor bajo presión a través de una boquilla . El material de escape puede ser un gas , líquido , plasma o sólido . En aviones propulsados sin hélices como los jets , el propulsor suele ser el producto de la quema de combustible con oxígeno atmosférico de modo que el producto propulsor resultante tiene más masa que el combustible transportado en el vehículo.
Los cohetes de fotones propuestos utilizarían el impulso relativista de los fotones para crear empuje. Aunque los fotones no tienen masa, aún pueden actuar como propulsores porque se mueven a una velocidad relativista, es decir, la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton es inadecuada para modelar la física involucrada y se debe utilizar la física relativista .
En los cohetes químicos, las reacciones químicas se utilizan para producir energía que crea el movimiento de un fluido que se utiliza para expulsar los productos de esa reacción química (y a veces otras sustancias) como propulsores. Por ejemplo, en un motor simple de hidrógeno/oxígeno, el hidrógeno se quema (oxida) para crear H2O y la energía de la reacción química se utiliza para expulsar el agua (vapor) para proporcionar empuje. A menudo, en los motores de cohetes químicos, se incluye una sustancia de mayor masa molecular en el combustible para proporcionar más masa de reacción.
El propulsor de cohetes puede expulsarse a través de una boquilla de expansión como gas frío, es decir, sin mezcla ni combustión energética, para proporcionar pequeños cambios de velocidad a las naves espaciales mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.
Para lograr una densidad útil para el almacenamiento, la mayoría de los propulsores se almacenan como sólido o líquido.
Un propulsor de cohete es una masa que se expulsa de un vehículo, como un cohete, de tal manera que se crea un empuje de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton y "impulsa" el vehículo hacia adelante. El motor que expulsa el propulsor se llama motor de reacción . Aunque el término "propulsor" se utiliza a menudo en el diseño de cohetes químicos para describir una combinación de combustible/propulsor, los propulsores no deben confundirse con el combustible que utiliza un motor para producir la energía que expulsa el propulsor. Aunque los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se utilizan a menudo como masa de reacción para crear el empuje, como ocurre con un motor de cohete químico, el propulsor y el combustible son dos conceptos distintos.
En las naves espaciales propulsadas eléctricamente , se utiliza electricidad para acelerar el propulsor. Se puede usar una fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o se puede usar la fuerza de Lorentz para expulsar iones negativos y electrones como propulsor. Los motores electrotérmicos utilizan la fuerza electromagnética para calentar gases de bajo peso molecular (p. ej., hidrógeno, helio, amoníaco) hasta convertirlos en plasma y expulsar el plasma como propulsor. En el caso de un motor de cohete resistojet , el propulsor comprimido simplemente se calienta mediante calentamiento resistivo a medida que se expulsa para crear más empuje.
En los cohetes y aviones químicos, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que puede dirigirse a través de una boquilla , produciendo así empuje. En los cohetes, la quema de combustible para cohetes produce un escape, y el material agotado generalmente se expulsa como propulsor bajo presión a través de una boquilla . El material de escape puede ser un gas , líquido , plasma o sólido . En aviones propulsados sin hélices como los jets , el propulsor suele ser el producto de la quema de combustible con oxígeno atmosférico de modo que el producto propulsor resultante tiene más masa que el combustible transportado en el vehículo.
El propulsor o combustible también puede ser simplemente un fluido comprimido, utilizándose la energía potencial que se almacena en el fluido comprimido para expulsar el fluido como propulsor. La energía almacenada en el fluido se agregó al sistema cuando se comprimió el fluido, como el aire comprimido . La energía aplicada a la bomba o sistema térmico que se utiliza para comprimir el aire se almacena hasta que se libera permitiendo que escape el propulsor. El fluido comprimido también se puede utilizar sólo como almacenamiento de energía junto con alguna otra sustancia como propulsor, como en un cohete de agua , donde la energía almacenada en el aire comprimido es el combustible y el agua es el propulsor.
Los cohetes de fotones propuestos utilizarían el impulso relativista de los fotones para crear empuje. Aunque los fotones no tienen masa, aún pueden actuar como propulsores porque se mueven a una velocidad relativista, es decir, la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton es inadecuada para modelar la física involucrada y se debe utilizar la física relativista .
En los cohetes químicos, las reacciones químicas se utilizan para producir energía que crea el movimiento de un fluido que se utiliza para expulsar los productos de esa reacción química (y a veces otras sustancias) como propulsores. Por ejemplo, en un motor simple de hidrógeno/oxígeno, el hidrógeno se quema (oxida) para crear H2O y la energía de la reacción química se utiliza para expulsar el agua (vapor) para proporcionar empuje. A menudo, en los motores de cohetes químicos, se incluye una sustancia de mayor masa molecular en el combustible para proporcionar más masa de reacción.
El propulsor de cohetes puede expulsarse a través de una boquilla de expansión como gas frío, es decir, sin mezcla ni combustión energética, para proporcionar pequeños cambios de velocidad a las naves espaciales mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.
Para lograr una densidad útil para el almacenamiento, la mayoría de los propulsores se almacenan como sólido o líquido.
Los propulsores pueden activarse mediante reacciones químicas para expulsar sólidos, líquidos o gases. La energía eléctrica puede utilizarse para expulsar gases, plasmas, iones, sólidos o líquidos. Los fotones se pueden utilizar para proporcionar empuje mediante un impulso relativista.
Los propulsores que explotan en funcionamiento tienen poca utilidad práctica en la actualidad, aunque se han realizado experimentos con motores de detonación por pulsos . También se están considerando en la etapa de investigación los compuestos recientemente sintetizados a base de bishomocubano como propulsores sólidos y líquidos del futuro. [1] [2]
Los combustibles sólidos/propulsores se utilizan en formas llamadas granos . Un grano es cualquier partícula individual de combustible/propulsor independientemente de su tamaño o forma. La forma y el tamaño de un grano determinan el tiempo de combustión, la cantidad de gas y la tasa de energía producida por la quema del combustible y, como consecuencia, el perfil de empuje versus tiempo.
Hay tres tipos de quemaduras que se pueden conseguir con diferentes granos.
Hay cuatro tipos diferentes de composiciones de combustible sólido/propulsor:
En los cohetes se utilizan tres combinaciones principales de bipropulsores líquidos: oxígeno e hidrógeno criogénicos, oxígeno criogénico y un hidrocarburo, y propulsores almacenables. [3]
Las combinaciones de propulsores utilizadas para cohetes de propulsor líquido incluyen:
Los monopropulsores comunes utilizados para motores de cohetes líquidos incluyen:
Los motores reactivos de propulsión eléctrica utilizan una variedad de propulsores generalmente ionizados, incluidos iones atómicos, plasma, electrones o pequeñas gotas o partículas sólidas como propulsor.
Si la aceleración es causada principalmente por la fuerza de Coulomb (es decir, la aplicación de un campo eléctrico estático en la dirección de la aceleración), el dispositivo se considera electrostático. Los tipos de accionamientos electrostáticos y sus propulsores:
Son motores que utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma que se utiliza como propulsor. Utilizan una boquilla para dirigir el propulsor energizado. La propia boquilla puede estar compuesta simplemente por un campo magnético. Los gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoníaco) son los propulsores preferidos para este tipo de sistema. [6]
Los propulsores electromagnéticos utilizan iones como propulsor, que son acelerados por la fuerza de Lorentz o por campos magnéticos, cualquiera de los cuales es generado por electricidad:
Se pueden utilizar reacciones nucleares para producir la energía necesaria para la expulsión de los propulsores. Se han utilizado/propuesto muchos tipos de reactores nucleares para producir electricidad para propulsión eléctrica como se describió anteriormente. La propulsión por pulsos nucleares utiliza una serie de explosiones nucleares para crear grandes cantidades de energía para expulsar los productos de la reacción nuclear como propulsor. Los cohetes térmicos nucleares utilizan el calor de una reacción nuclear para calentar un propulsor. Normalmente el propulsor es hidrógeno porque la fuerza es función de la energía independientemente de la masa del propulsor, por lo que el propulsor más ligero (hidrógeno) produce el mayor impulso específico .
Un motor reactivo fotónico utiliza fotones como propulsor y su energía relativista discreta para producir empuje.
Los propulsores de fluido comprimido o gas comprimido se presurizan físicamente, mediante un compresor, en lugar de mediante una reacción química. Las presiones y densidades de energía que se pueden lograr, si bien son insuficientes para cohetes y armas de fuego de alto rendimiento, son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones, en cuyo caso los fluidos comprimidos ofrecen una fuente más simple, segura y práctica de presión propulsora.
Un propulsor de fluido comprimido puede ser simplemente un gas presurizado o una sustancia que es un gas a presión atmosférica, pero almacenada bajo presión como líquido.
En aplicaciones en las que se utiliza una gran cantidad de propulsor, como el lavado a presión y la aerografía , un compresor puede presurizar el aire y utilizarlo inmediatamente. Además, una bomba manual para comprimir aire se puede utilizar por su simplicidad en aplicaciones de baja tecnología como atomizadores , pulverizadores de plantas y cohetes de agua . Los ejemplos más sencillos de un sistema de este tipo son las botellas exprimibles para líquidos como ketchup y champú.
Sin embargo, los gases comprimidos no son prácticos como propulsores almacenados si no se licuan dentro del recipiente de almacenamiento, porque se requieren presiones muy altas para almacenar una cantidad significativa de gas, y los cilindros de gas de alta presión y los reguladores de presión son caros y pesados.
Los propulsores de gas licuado son gases a presión atmosférica, pero se vuelven líquidos a una presión modesta. Esta presión es lo suficientemente alta como para proporcionar una propulsión útil de la carga útil (por ejemplo, pintura en aerosol, desodorante, lubricante), pero es lo suficientemente baja como para almacenarse en una lata de metal económica y no representar un riesgo para la seguridad en caso de que la lata se rompa.
La mezcla de propulsor líquido y gaseoso dentro de la lata mantiene una presión constante, llamada presión de vapor del líquido . A medida que se agota la carga útil, el propulsor se vaporiza para llenar el volumen interno de la lata. Los líquidos suelen ser entre 500 y 1000 veces más densos que sus gases correspondientes a presión atmosférica; Incluso a la presión más alta dentro de la lata, sólo una pequeña fracción de su volumen necesita ser propulsor para expulsar la carga útil y reemplazarla con vapor.
La vaporización del propulsor líquido a gas requiere algo de energía, la entalpía de vaporización , que enfría el sistema. Esto suele ser insignificante, aunque a veces puede ser un efecto no deseado del uso intensivo (a medida que el sistema se enfría, la presión de vapor del propulsor cae). Sin embargo, en el caso de un spray congelante , este enfriamiento contribuye al efecto deseado (aunque los sprays congelantes también pueden contener otros componentes, como cloroetano , con una presión de vapor más baja pero una entalpía de vaporización más alta que el propulsor).
Los clorofluorocarbonos (CFC) alguna vez se utilizaron a menudo como propulsores,[18] pero desde que el Protocolo de Montreal entró en vigor en 1989, han sido reemplazados en casi todos los países debido a los efectos negativos que tienen los CFC en la capa de ozono de la Tierra. Los sustitutos más comunes de los CFC son mezclas de hidrocarburos volátiles, normalmente propano, n-butano e isobutano.[19] También se utilizan dimetiléter (DME) y metil etil éter. Todos estos tienen la desventaja de ser inflamables. El óxido nitroso y el dióxido de carbono también se utilizan como propulsores para transportar alimentos (por ejemplo, crema batida y aerosol para cocinar). Los aerosoles medicinales, como los inhaladores para el asma, utilizan hidrofluoroalcanos (HFA): ya sea HFA 134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano) o HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano) o combinaciones de los dos. Más recientemente, los propulsores líquidos de hidrofluoroolefina (HFO) se han adoptado más ampliamente en los sistemas de aerosoles debido a su presión de vapor relativamente baja, su bajo potencial de calentamiento global (GWP) y su no inflamabilidad.[20]
La practicidad de los propulsores de gas licuado permite una amplia variedad de cargas útiles. Los aerosoles , en los que se eyecta un líquido en forma de aerosol, incluyen pinturas, lubricantes, desengrasantes y revestimientos protectores; desodorantes y otros productos de cuidado personal; aceites de cocina. Algunas cargas útiles líquidas no se rocían debido a la menor presión del propulsor y/o la carga útil viscosa, como ocurre con la crema batida y la crema de afeitar o el gel de afeitar. Las armas de baja potencia, como las de aire comprimido , las de paintball y las de airsoft , tienen cargas útiles de proyectiles sólidas. Excepcionalmente, en el caso de un espolvoreador de gas ("aire enlatado"), la única carga útil es la velocidad del propio vapor propulsor.
La combinación más eficiente de combustible y oxidante comúnmente utilizada hoy en día para cohetes químicos líquidos es hidrógeno (combustible) y oxígeno (oxidante)", continuó Coates. Los dos elementos son relativamente simples y se queman fácilmente cuando se combinan, y aún mejor, el resultado de su La reacción es agua simple.
El petróleo refinado no es el combustible más eficiente para producir empuje para cohetes, pero lo que le falta en producción de empuje lo compensa con densidad.
Se necesita menos volumen de RP-1 para impartir la misma fuerza de empuje a un vehículo, y menos volumen equivale a un tamaño de escenario reducido.
... Una etapa propulsora más pequeña significa mucha menos resistencia aerodinámica a medida que el vehículo despega desde cerca del nivel del mar y acelera a través de la parte más densa (más espesa) de la atmósfera cerca de la Tierra.
El resultado de una etapa propulsora más pequeña es que permite un ascenso más eficiente a través de la parte más espesa de la atmósfera, lo que ayuda a mejorar la masa neta elevada a órbita.
