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Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Francisco Gavilán JiménezSergio Esteban Roncero
Escuela Superior de IngenierosUniversidad de Sevilla
Curso 2010-2011
Tema 10: Propulsión Espacial
18/05/2011 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 2
IntroducciónLos motores cohete son sistemas de propulsión autónomos. No dependen del medio exteriorEl propulsante va almacenado abordo.Tipos:
MC químicos:Propulsante líquidoPropulsante sólidoPropulsante híbrido
MC eléctricosTermoeléctricosElectrostáticosElectromagnéticos
MC nucleares
Motores Cohete Químicos
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MC de propulsante líquido Propulsante
MonopropulsantesEnergía obtenida de la descomposición de una única sustanciaEl más conocido es la hidracina (N2H4)Aplicación principal a motores pequeños de control de actitud
BipropulsantesEnergía obtenida de la reacción química entre dos sustancias: oxidante + combustibleCombinaciones típicas:
O2 – H2O2- RP1O2 – Monometil Hidracina
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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
Motor P&W RL10
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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión
Función: generar gas a alta temperatura y presión para que pueda ser acelerado en la toberaComponentes:
Matriz de inyectoresSistema de igniciónCámara de reacción
En la combustión se libera una cantidad enorme de energía (~ 30000 MW/m3)
Problemas de refrigeración para no dañar la estructura
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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión
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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión
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MC de propulsante líquido Tobera de salida
Produce la expansión y aceleración de los gases hasta velocidades supersónicasGeometría convergente divergente
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MC de propulsante sólido Descripción general
El propulsante lo constituye una única mezcla entre oxidante y combustible en almacenada en estado sólido.No son reutilizables. Una vez iniciada la ignición, no se pueden detener.Diseños simples y de bajo costeTipos:
Homogéneos: oxidante y combustible contenidos en una misma moléculaNitroglicerina – Nitrocelulosa
Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible.Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato potásico, …Combustible: poliuretano
Aplicaciones:MisilesEtapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle)Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy)
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MC de propulsante sólido Descripción general
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MC de propulsante sólido Descripción general
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MC híbridos Descripción general
Motores Cohete Eléctricos
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MC eléctricos Generalidades
Utilizan energía eléctrica para calentar y/o acelerar el propulsante
Mayor autonomía: no necesitan eyectar grandes cantidades de propulsante para conseguir empuje
Se trata de la forma más eficiente de añadir energía al propulsante en el espacioProporcionan empujes muy pequeños: ~1 N
En los MC químicos: empujes ~107 NAplicaciones fundamentales a la propulsión espacialTipos:
TermoeléctricosElectrostáticosElectromagnéticos
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MC termoeléctricos
Usan energía eléctrica para calentar el propulsante, el cual es acelerado en una tobera.Propulsante almacenado en estado gaseoso en un depósito presurizado:
Nitrógeno, hidrógeno, hidracina, amoniaco, …Según el calentamiento, varios tipos:
ResistojetMotor de arco eléctrico
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MC termoeléctricos Resistojet
Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante
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MC termoeléctricos Motor de arco eléctrico
Calentamiento mediante arco eléctrico
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MC electrostáticos Motor de Iones
El propulsante es primeramente ionizado y después acelerado mediante campos eléctricosArquitectura:
Generador de ionesAceleradorNeutralizador
Proceso de ionización:Bombardeo con electronesContacto con filtro de Wolframio caliente
Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen bajas energías de ionización
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MC electrostáticos Motor de Iones
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MC electromagnéticos
Propulsante: fluido conductor eléctricamenteLa aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos
Motores Cohete Nucleares
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MC TermonuclearesEl propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera
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Referencias
Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de 2008.Wikipedia, http://en.wikipedia.org