La regresión del combustible para cohetes híbridos se refiere al proceso mediante el cual el grano de combustible de un cohete con propulsor híbrido se convierte de sólido a gas y se quema. Abarca la tasa de regresión, la distancia que retrocede la superficie del combustible durante un tiempo determinado, así como el área quemada, el área de superficie que se está erosionando en un momento dado.
Debido a que la cantidad de combustible que se quema es importante para la efectividad de la combustión en el motor, la tasa de regresión juega un papel fundamental en el diseño y encendido de un motor híbrido. Desafortunadamente, los granos de combustible híbridos tienden a tener una regresión extremadamente lenta, lo que requiere cámaras de combustión muy largas o diseños de puertos complejos que resultan en un exceso de masa. La tasa de regresión también ha demostrado ser bastante difícil de predecir, y los modelos avanzados siguen proporcionando errores significativos cuando se aplican a diversas escalas y con diferentes combustibles. [1] La investigación reciente se ha centrado en el desarrollo de modelos más precisos junto con la investigación de técnicas para aumentar la tasa de regresión.
A diferencia de los motores de cohetes sólidos, los híbridos presentan una dependencia significativa del tamaño del puerto y una dependencia baja de la presión de la cámara en condiciones normales. [2] Debido a que están dominados por fuerzas termodinámicas, los modelos generalmente surgen a través de un cálculo de transferencia de calor. Marxman proporcionó el primer intento de un modelo a priori de regresión híbrida, basando la tasa en un cálculo de equilibrio de transferencia de calor y suponiendo unidad para los números de Prandtl y Lewis . [3] Finalmente desarrolló la siguiente ecuación, utilizando para el flujo de masa local instantáneo, como distancia a lo largo del puerto, rho para la densidad del combustible, para la viscosidad del flujo de gas de la corriente principal, para la relación de velocidad entre el gas en la corriente principal y gas en la llama, y para la relación considerando la diferencia de entalpía de la llama a la superficie del combustible ( ) en comparación con el calor efectivo de vaporización ( ) del combustible.
Se pueden ver conceptos similares en una extensión de Whitmore, donde el número de Prandtl se aproxima a 0,8 y el coeficiente de fricción superficial se recalcula para considerar el soplado y el desarrollo del flujo a lo largo de la longitud del grano. [4]
Ambas fórmulas mejoradas parecen mostrar una mejor relación con los datos probados. [3] [4]
La técnica más sencilla para aumentar la tasa de regresión es utilizar un combustible diferente. Los sólidos con masas moleculares más bajas tienden a tener viscosidades más bajas, una cualidad que generalmente se correlaciona con una disminución en la energía requerida para la gasificación. Llevado al extremo, en realidad surge un nuevo fenómeno: una capa fundida en la superficie del combustible permite que las gotas sean arrastradas a medida que el oxidante fluye. En los niveles de flujo comúnmente observados en los cohetes híbridos, este arrastre en realidad representa la mayor parte de la regresión (vaporización dominante). [5]
El concepto se descubrió originalmente durante un breve período de investigación en el que AFRL y Orbital Technologies Corporation (ORBITEC) probaron varios combustibles criogénicos en un esfuerzo por aumentar el impulso específico. Utilizando pentano solidificado, encontraron que las tasas de regresión aumentaban enormemente en comparación con los combustibles híbridos tradicionales. [5] Varias pruebas con parafina también presagiaron la tecnología moderna de cohetes licuadores, con el cohete Peregrine, entre otros, liderando el camino para un mayor desarrollo. [6] [7] [8]
El método de regresión alternativo plantea algunos otros problemas, principalmente una reducción en la eficiencia de la combustión. Debido al gran tamaño de las partículas, es posible que las gotas arrastradas no se consuman por completo antes de salir de la boquilla y salir del motor. De hecho, la parafina tiene tendencia a desprenderse incluso de fragmentos grandes, lo que reduce en gran medida la eficiencia de la combustión y contribuye potencialmente a la inestabilidad de la combustión. [9]
Aunque es mucho más difícil de predecir, las geometrías de grano complejas ofrecen otra técnica para aumentar la tasa de regresión y el área de quema con el fin de aumentar considerablemente el flujo de combustible.
El uso de secciones transversales de puerto no circulares aumenta el área expuesta al oxidante a gasificar, especialmente al inicio de la combustión. Sin embargo, a medida que el combustible continúa retrocediendo, comenzará a redondear su forma porque la regresión generalmente ocurre normal a la superficie del combustible y las esquinas tienden a retroceder más rápido. Generalmente, esto hará que la relación O/F se aleje de la estequiométrica.
Algunos de los primeros intentos de geometrías complejas fueron diseños de ruedas de carro desarrollados por el United Technology Center. [10] Aunque aumentan enormemente el flujo de combustible, las ruedas de los carros requieren que se deje una porción significativa de combustible, o la estructura podría romperse.
Más recientemente, se han utilizado diseños helicoidales para crear un componente centrípeto del flujo, reduciendo el soplado y proporcionando una mayor fricción entre el oxidante y el combustible para aumentar la convección. Un análisis realizado en la Universidad de Utah concluyó que las tasas de regresión generalmente aumentaban al menos en un factor de dos, e incluso en un factor de cuatro. [11] En general, la tasa de regresión helicoidal se modela mediante varios ajustes multiplicativos al coeficiente de fricción superficial y al coeficiente de soplado. [10]
El área de combustión se refiere a la superficie expuesta al calor de la cámara de combustión, y es tan fundamental para la regresión del cohete como la tasa de regresión misma, ya que el caudal volumétrico de combustible generalmente viene dado por la tasa de regresión multiplicada por la zona quemada. Dependiendo de la complejidad de la geometría del grano, su cálculo también puede resultar bastante complicado. En su forma más simple, un grano de combustible en forma de tubo tiene un área de quemado agregada al área en ambos extremos. Sin embargo, un grano de combustible en forma de estrella podría requerir el uso de CAD u otro software geométrico para determinar el área de la superficie, particularmente cuando el área de la superficie retrocede a lo largo de las normales, creando a menudo una geometría muy irregular.
De hecho, el proceso es incluso un poco más complicado porque las esquinas que sobresalen de la cámara de combustión retroceden más rápidamente que las circulares, ya que están expuestas al calor por ambos lados. Para modelar el problema, Bath desarrolló una técnica para difuminar iterativamente los píxeles y eliminar aquellos que caen por debajo de un cierto umbral de brillo. [10] Al utilizar el procesamiento de imágenes para generar una tabla de resultados de área de superficie para un volumen determinado, se puede implementar fácilmente en un modelo para la regresión del grano de combustible a lo largo del tiempo.
Desafortunadamente, la mayoría de los modelos todavía requieren un factor empírico que depende de las variaciones en las rutas de flujo de combustible y oxidante para diferentes geometrías de puerto. En el caso del modelo de imagen borrosa, las predicciones de regresión también dependen de la configuración utilizada en el programa de procesamiento de imágenes.
Los modelos de área quemada basados en secciones transversales 2D pierden otro componente de precisión porque suponen una regresión en la dirección radial. Para un grano helicoidal, por ejemplo, el área quemada predicha por el modelo de Bath sería incorrecta.
Debido a la falta de métodos de predicción precisos, cada sistema generalmente debe probarse en configuración completa para determinar con precisión la tasa de regresión antes del vuelo. Normalmente, los puntos de datos de varios granos idénticos probados en diferentes condiciones de flujo se ajustan a la función de potencia promedio espacio-temporal. Inicialmente, los métodos para ajustar la función de potencia a menudo quedaban ambiguos en las publicaciones debido a la variación en los posibles cálculos para el flujo de masa promedio, lo que dificultaba la comparación de los hallazgos. Un estudio de Karabeyoglu al que ahora se hace referencia habitual indica que la medición más sencilla, el promedio del diámetro del puerto, también proporciona los resultados más precisos. [12]
