El ciclo de expansión es un ciclo de potencia de un motor de cohete bipropelente . En este ciclo, el combustible se utiliza para enfriar la cámara de combustión del motor, recogiendo calor y cambiando de fase. El combustible ahora calentado y gaseoso alimenta la turbina que impulsa las bombas de combustible y oxidante del motor antes de ser inyectado en la cámara de combustión y quemado normalmente.
Debido al cambio de fase necesario, el ciclo de expansión está limitado por la regla del cuadrado-cubo . A medida que aumenta el tamaño de una boquilla en forma de campana al aumentar el empuje, el área de la superficie de la boquilla (de la cual se puede extraer calor para expandir el combustible) aumenta con el cuadrado del radio. Sin embargo, el volumen de combustible que debe calentarse aumenta a medida que el cubo del radio. Por tanto, existe un tamaño máximo de motor de aproximadamente 300 kN (70.000 lbf) de empuje más allá del cual ya no hay suficiente área de boquillas para calentar suficiente combustible para impulsar las turbinas y, por lo tanto, las bombas de combustible. Se pueden lograr niveles de empuje más altos usando un ciclo de expansión de derivación donde una parte del combustible deriva la turbina o los conductos de enfriamiento de la cámara de empuje y va directamente al inyector de la cámara principal. No toroidalLos motores aerospike no sufren las mismas limitaciones porque la forma lineal del motor no está sujeta a la ley del cubo cuadrado. A medida que aumenta la anchura del motor, tanto el volumen de combustible a calentar como la energía térmica disponible aumentan linealmente, lo que permite construir motores de anchura arbitraria. Todos los motores de ciclo expansor necesitan usar un combustible criogénico como hidrógeno, metano o propano que alcance fácilmente sus puntos de ebullición .
Algunos motores de ciclo expansor pueden usar un generador de gas de algún tipo para arrancar la turbina y hacer funcionar el motor hasta que la entrada de calor de la cámara de empuje y el faldón de la boquilla aumente a medida que aumenta la presión de la cámara.
En un ciclo abierto , o ciclo de expansión de "purga", solo una parte del combustible se calienta para impulsar las turbinas, que luego se ventila a la atmósfera para aumentar la eficiencia de la turbina. Si bien esto aumenta la potencia de salida, el combustible vertido conduce a una disminución en la eficiencia del propulsor (menor impulso específico del motor). Un motor expansor de ciclo cerrado envía el escape de la turbina a la cámara de combustión (vea la imagen a la derecha).
Algunos ejemplos de un motor de ciclo expansor son el Aerojet Rocketdyne RL10 y el motor Vinci para el futuro Ariane 6 . [1]
Ciclo de purga del expansor (ciclo abierto)
Este ciclo operativo es una modificación del ciclo de expansión tradicional. En el ciclo de purga (o abierto), en lugar de enrutar el propulsor calentado a través de la turbina y enviarlo de regreso para que se queme, solo una pequeña porción del propulsor se calienta y se usa para impulsar la turbina y luego se purga, y se ventila por la borda sin pasando por la cámara de combustión. La purga del escape de la turbina permite una mayor salida de la turbobomba al disminuir la contrapresión y maximizar la caída de presión a través de la turbina. En comparación con un ciclo de expansión estándar, esto conduce a un mayor empuje del motor a costa de la eficiencia al desperdiciar el propulsor sangrado. [2] [3]
Expansor doble (ciclo cerrado)
De manera similar, la combustión por etapas se puede implementar por separado en el oxidante y el combustible en el ciclo de flujo completo , el ciclo de expansión se puede implementar en dos caminos separados como el ciclo de expansión dual . El uso de gases calientes de la misma química que el líquido para la turbina y el lado de la bomba de las turbobombas elimina la necesidad de purgas y algunos modos de falla. Además, cuando la densidad del combustible y el oxidante es significativamente diferente, como ocurre en el caso de H 2 / LOX , las velocidades óptimas de la turbobomba difieren tanto que necesitan una caja de cambios entre las bombas de combustible y oxidante. [4] [5] El uso de ciclo de expansión dual, con turbinas separadas, elimina este equipo propenso a fallas. [5]
El ciclo de expansión dual se puede implementar usando secciones separadas en el sistema de enfriamiento regenerativo para el combustible y el oxidante, o usando un solo fluido para enfriar y un intercambiador de calor para hervir el segundo fluido. En el primer caso, por ejemplo, podría usar el combustible para enfriar la cámara de combustión y el oxidante para enfriar la boquilla . En el segundo caso, podría usar el combustible para enfriar todo el motor y un intercambiador de calor para hervir el oxidante. [5]
Ventajas
El ciclo de expansión tiene una serie de ventajas sobre otros diseños: [ cita requerida ]
- Baja temperatura
- Una vez que se han vuelto gaseosos, los propulsores suelen estar cerca de la temperatura ambiente y causan muy poco o ningún daño a la turbina, lo que permite que el motor sea reutilizable. En contraste , los motores generadores de gas o de combustión por etapas operan sus turbinas a alta temperatura.
- Tolerancia
- Durante el desarrollo del RL10, los ingenieros estaban preocupados de que la espuma aislante montada en el interior del tanque pudiera romperse y dañar el motor. Probaron esto poniendo espuma suelta en un tanque de combustible y pasándola por el motor. El RL10 lo masticaba sin problemas ni una degradación notable en el rendimiento. Los generadores de gas convencionales son en la práctica motores de cohetes en miniatura, con toda la complejidad que ello implica. Bloquear incluso una pequeña parte de un generador de gas puede provocar un punto caliente, que puede causar una pérdida violenta del motor. El uso de la campana del motor como 'generador de gas' también lo hace muy tolerante a la contaminación del combustible debido a los canales de flujo de combustible más amplios utilizados.
- Seguridad inherente
- Debido a que un motor de ciclo expansor tipo campana tiene un empuje limitado, se puede diseñar fácilmente para soportar sus condiciones de empuje máximo. En otros tipos de motores, una válvula de combustible atascada o un problema similar puede hacer que el empuje del motor se salga de control debido a sistemas de retroalimentación no intencionados. Otros tipos de motores requieren controladores mecánicos o electrónicos complejos para garantizar que esto no suceda. Los ciclos de expansión son por diseño incapaces de funcionar mal de esa manera.
Uso
Los motores de ciclo expansor incluyen lo siguiente:
- Aerojet Rocketdyne RL10 [6]
- Pratt y Whitney RL60
- ArianeGroup Vinci
- CADB y Pratt y Whitney RD-0146
- Chino YF-75D
- Mitsubishi Heavy Industries LE-5A / 5B
- Mitsubishi Heavy Industries LE-9
- Aerojet Rocketdyne y MHI MARC-60 (MB-60)
- Blue Origin BE-3U y BE-7
- Avio M10
Comparación de motores de ciclo expansor de etapa superior
RL10 B-2 | BE-3U | Vinci | YF-75D | RD-0146 D | LE-5A | LE-5B | |
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País de origen | Estados Unidos | Estados Unidos | Francia | República Popular de China | Rusia | Japón | Japón |
Ciclo | Expansor | Ciclo de purga del expansor | Expansor | Expansor | Expansor | Ciclo de purga del expansor, expansor de boquillas | Ciclo de purga del expansor, expansor de cámara |
Empuje, vac. | 110 kN (25.000 libras) | 710 kN (160.000 lbf) [7] | 180 kN (40.000 libras · pie) | 88,36 kN (19.860 libras · pie) | 68,6 kN (15.400 libras · pie) | 121,5 kN (27.310 libras · pie) | 137,2 kN (30,840 libras) |
Proporción de mezcla | 5.88 | 5.8 | 6.0 | 5 | 5 | ||
Relación de boquilla | 280 | 240 | 80 | 130 | 110 | ||
Yo sp , vac. (s) | 462 [8] | 465 | 442 | 470 | 452 | 447 | |
Presión de la cámara (MPa) | 4.412 | 6.1 | 4.1 | 5.9 | 3,98 | 3,58 | |
LH 2 TP (rpm) | 65.000 | 98,180 | 51.000 | 52 000 | |||
LOX TP (rpm) | 17.000 | 18.000 | |||||
Longitud (m) | 4.14 | 4.2 | 3.358 | 2,69 | 2,79 | ||
Masa seca (kg) | 277 | 280 | 227 | 248 | 285 |
Ver también
- Ciclo generador de gas
- Ciclo de derivación de combustión
- Ciclo de combustión por etapas
- Motor alimentado por presión
Referencias
- ^ [1] , consultado el 21 de febrero de 2017
- ^ Sippel, Martin; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (23 de julio de 2003). Estudios sobre motores de ciclo de purga de expansores para lanzadores (PDF) . 39a Conferencia y Exhibición Conjunta de Propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE. AIAA . Archivado desde el original (PDF) el 3 de marzo de 2016 . Consultado el 25 de septiembre de 2016 .
- ^ Atsumi, Masahiro; Yoshikawa, Kimito; Ogawara, Akira; Onga, Tadaoki (diciembre de 2011). "Desarrollo del motor LE-X" (PDF) . Revisión técnica de Mitsubishi Heavy Industries . Mitsubishi Heavy Industries . 48 (4): 36–43. Archivado desde el original (PDF) el 24 de diciembre de 2015 . Consultado el 25 de septiembre de 2016 .
- ^ Sutton, George P .; Biblarz, Oscar (2000). "Sección 6.6". Elementos de propulsión de cohetes: una introducción a la ingeniería de cohetes (PDF) (Séptima ed.). John Wiley & Sons, Inc. págs. 221–227. ISBN 0-471-32642-9. Archivado desde el original (PDF) el 19 de enero de 2016 . Consultado el 26 de septiembre de 2016 .
- ^ a b c Patente de EE. UU. 7,418,814 B1 , Greene, William D., "Motor de cohete de ciclo de expansión dual con un intercambiador de calor de ciclo cerrado intermedio", expedida el 2 de septiembre de 2008 , asignada a los Estados Unidos de América representada por Administrador de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio
- ^ "Propulsión espacial de Pratt & Whitney - Ficha técnica de RL60" . Archivado desde el original (PDF) el 29 de marzo de 2012 . Consultado el 28 de diciembre de 2008 .
- ^ https://www.blueorigin.com/engines/be-3
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 30 de abril de 2017 . Consultado el 6 de junio de 2017 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
enlaces externos
- Ciclos de energía de cohetes