En el diseño de motores de cohetes , el enfriamiento regenerativo 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 boquilla para enfriar el motor. Esto es eficaz porque los propulsores suelen ser criogénicos. Luego, el propulsor calentado se alimenta a 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 el enfriamiento regenerativo para convertirse en el primero en licuar estáticamente hidrógeno. [2] El concepto de enfriamiento regenerativo también fue mencionado en 1903 en un artículo de Konstantin Tsiolkovsky . [3] Robert Goddard construyó el primer motor con refrigeración regenerativa en 1923, pero rechazó el esquema por considerarlo demasiado complejo. [4] El investigador italiano Gaetano Arturo Crocco construyó un motor con refrigeración regenerativa en 1930. Los primeros motores soviéticos en emplear esta técnica fueron el OR-2 de Fridrikh Tsander probado en marzo de 1933 y el ORM-50, probado en banco en noviembre. 1933 de Valentín Glushko . El primer motor alemán de este tipo también fue probado en marzo de 1933 por Klaus Riedel en el VfR . El científico austriaco Eugen Sänger fue especialmente famoso por sus experimentos con la refrigeración de motores que comenzaron en 1933; sin embargo, la mayoría de sus motores experimentales estaban refrigerados por agua o mediante un circuito adicional de propulsor.
El motor cohete V-2 , el más potente de su época 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 capa 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 ángulo. a lo largo de la superficie interior para enfriar aún más la cámara en un sistema llamado enfriamiento de película. Este diseño ineficiente requirió la quema de alcohol diluido a baja presión en la cámara para evitar que el motor se derritiera. El motor americano Redstone utilizó el mismo diseño.
Una innovación clave en 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 fluyó a través de las corrugaciones y absorbió el calor de manera muy eficiente. Esto permitió combustibles más energéticos y presiones de cámara más altas, y es el plan básico utilizado en todos los motores rusos desde entonces. Los motores estadounidenses generalmente resolvían este problema recubriendo la cámara de combustión con tubos soldados de cobre o aleación de níquel. Sólo recientemente motores como el RS-68 han comenzado a utilizar la técnica rusa más barata. El estilo americano de revestir el motor con tubos de cobre se llama "construcción espagueti", y el concepto se le 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 para cohetes actúa como refrigerante cuando ingresa al motor a través de conductos en la salida de la boquilla. [5] Atraviesa la región de la garganta de alta temperatura y sale cerca de la cara del inyector. Estos pasajes 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 pasajes son más pequeñas, lo que aumenta la velocidad del refrigerante y maximiza la eficiencia de enfriamiento en áreas de alto calor. [6]
El flujo de calor a través de la pared de la cámara es muy elevado; normalmente en el rango de 0,8 a 80 MW/m 2 (0,5 a 50 BTU /pulg. 2 -s). [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 calorífica y la temperatura de entrada del fluido utilizado como refrigerante.
Se forman dos capas límite : una en el gas caliente de la cámara (que se modela con la ecuación de Bartz anterior) y la otra en el refrigerante dentro de los canales. [7] : 104-105
Muy típicamente, la mayor parte de la caída de temperatura se produce en la capa límite del gas, ya que los gases son relativamente malos conductores. Sin embargo, esta capa límite puede ser destruida por inestabilidades de combustión , y muy pronto después puede producirse el fallo de la pared.
La capa límite dentro de los canales de refrigerante también puede alterarse si el refrigerante está a una presión subcrítica y la película hierve; Entonces el gas forma 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 romper 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; También se emplean frecuentemente enfriamiento de película, [6] enfriamiento por transpiración y enfriamiento por radiación .
En el enfriamiento regenerativo, la presión en los canales de enfriamiento es mayor que la presión de la cámara. El revestimiento interior está sometido a compresión, mientras que la pared exterior del motor está sometida a importantes tensiones circulares .
El metal del revestimiento interior se debilita enormemente por la alta temperatura y también sufre una expansión térmica significativa en la superficie interior mientras que la pared del lado frío del revestimiento limita la expansión. Esto genera importantes tensiones térmicas que pueden hacer que la superficie interior se agriete o se cuartee después de múltiples disparos, especialmente en la garganta.
Además, el delgado revestimiento interior requiere soporte mecánico para soportar la carga de compresión debida a la presión del propulsor; este soporte lo proporcionan normalmente 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 temperatura relativamente alta; 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 el enfriamiento regenerativo. Estos incluyen una lámina de metal corrugado soldada entre el revestimiento interior y exterior; cientos de tubos soldados con soldadura fuerte para darles la forma correcta, o un revestimiento interior con canales de refrigeración fresados y un revestimiento exterior alrededor. [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 .
