Los monopropulsores [1] son propulsores que consisten en sustancias químicas que liberan energía a través de la descomposición química exotérmica. La energía de enlace molecular del monopropulsor se libera normalmente mediante el uso de un catalizador. Esto se puede contrastar con los bipropelantes que liberan energía a través de la reacción química entre un oxidante y un combustible. Si bien son estables en condiciones de almacenamiento definidas, los monopropulsores se descomponen muy rápidamente en ciertas otras condiciones para producir un gran volumen de sus propios gases energéticos (calientes) para la realización de trabajos mecánicos. Aunque los deflagrantes sólidos como la nitrocelulosa, el propulsor más comúnmente utilizado en armas de fuego, podría considerarse monopropulsor, el término generalmente se reserva para líquidos en la literatura de ingeniería. [ cita requerida ]
Usos
El uso más común de monopropulsantes [2] es en motores de cohetes monopropulsores de bajo impulso , [3] tales como propulsores de control de reacción , siendo el propulsor habitual la hidracina [4] [5] que generalmente se descompone por exposición a un iridio [6] [7] lecho de catalizador (la hidracina se precalienta para mantener el líquido reactivo). Esta descomposición produce el chorro de gas caliente deseado y, por tanto, el empuje . El peróxido de hidrógeno [8] se ha utilizado como fuente de energía para bombas de tanques de propulsor en cohetes como el alemán WWII V-2 y el estadounidense Redstone . [9] El peróxido de hidrógeno pasa a través de una malla de catalizador de platino , [8] o entra en contacto con perlas de cerámica impregnadas de dióxido de manganeso , o se inyecta conjuntamente una solución de permanganato de Z-Stoff , lo que hace que el peróxido de hidrógeno se descomponga en vapor caliente y oxígeno. .
Los monopropulsores también se utilizan en algunos sistemas de propulsión independientes del aire (AIP) para "alimentar" motores alternativos o de turbina en entornos donde el oxígeno libre no está disponible. Las armas destinadas principalmente al combate entre submarinos de propulsión nuclear generalmente entran en esta categoría. El propulsor más comúnmente utilizado en este caso es dinitrato de propilenglicol estabilizado ( PGDN ), a menudo denominado " combustible Otto ". Un posible uso futuro de los monopropulsores que no están directamente relacionados con la propulsión son las centrales eléctricas compactas de alta intensidad para entornos acuáticos o exoatmosféricos.
Investigación en breve
Se hizo mucho trabajo en los Estados Unidos en las décadas de 1950 y 1960 para intentar encontrar monopropulsores mejores y más energéticos. En su mayor parte, los investigadores llegaron a la conclusión de que cualquier sustancia que contuviera suficiente energía para competir con los bipropelentes sería demasiado inestable para manipularla de forma segura en condiciones prácticas. Con nuevos materiales, sistemas de control y requisitos para propulsores de alto rendimiento, los ingenieros están actualmente [ ¿cuándo? ] reexaminando esta suposición. [ cita requerida ]
Muchos ésteres de alcohol parcialmente nitrados son adecuados para su uso como monopropulsores. El "dinitrato de trimetilenglicol" o dinitrato de 1,3-propanodiol es isomérico con PGDN y se produce como subproducto fraccional en todas las condiciones de laboratorio, excepto en las más exigentes; la gravedad específica marginalmente más baja (y por lo tanto la densidad de energía ) de este compuesto argumenta en contra de su uso, pero las pequeñas diferencias en la química pueden resultar útiles en el futuro. [ cita requerida ]
El "dinitrodiglicol" relacionado, más apropiadamente denominado dinitrato de dietilenglicol en notación moderna, fue ampliamente utilizado en la Segunda Guerra Mundial en Alemania, tanto solo como monopropulsor líquido como coloidal con nitrocelulosa como propulsor sólido. Las características por lo demás deseables de este compuesto; es bastante estable, fácil de fabricar y tiene una densidad energética muy alta; se ven empañados por un alto punto de congelación (-11,5 grados C) y una expansión térmica pronunciada, ambos son problemáticos en las naves espaciales. La "dinitroclorhidrina" y la "tetranitrodiglicerina" también son candidatos probables, aunque no se conoce ningún uso actual. Los polinitratos de los hidrocarburos aromáticos y de cadena larga son invariablemente sólidos a temperatura ambiente, pero muchos son solubles en alcoholes simples o éteres en alta proporción y pueden ser útiles en este estado. [ cita requerida ]
La hidracina , [5] [10] óxido de etileno , [11] peróxido de hidrógeno (especialmente en su forma alemana de la Segunda Guerra Mundial como T-Stoff ), [12] y nitrometano [13] son monopropulsores de cohetes comunes. Como se señaló, el impulso específico de los monopropelentes es menor [2] [14] que el de los bipropelentes y se puede encontrar con la herramienta Código de impulso específico de equilibrio químico de la Fuerza Aérea. [15]
Un monopropelente más nuevo en desarrollo es el óxido nitroso , tanto puro como en forma de mezclas de combustible de óxido nitroso . El óxido nitroso ofrece las ventajas de ser autopresurizante y relativamente atóxico, con un impulso específico intermedio entre el peróxido de hidrógeno y la hidracina. [16] El óxido nitroso genera oxígeno al descomponerse y es posible mezclarlo con combustibles para formar una mezcla monopropelente con un impulso específico de hasta 325 s, comparable a los bipropulsantes hipergólicos . [17]
La comparación directa de las propiedades físicas, el rendimiento, el costo, la capacidad de almacenamiento, la toxicidad, los requisitos de almacenamiento y las medidas de liberación accidental de peróxido de hidrógeno, nitrato de hidroxilamonio (HAN), hidracina y varios monopropulsores de gas frío muestra que la hidracina tiene el mayor rendimiento en términos de impulso específico. Sin embargo, la hidracina también es la más cara y tóxica. Además, el HAN y el peróxido de hidrógeno tienen el impulso de mayor densidad (impulso total por unidad de volumen dada). [18]
Ver también
- Cohete monopropulsor
- Mezcla de combustible de óxido nitroso
- Misión de infusión de propulsor verde
Referencias
- ^ Sybil P. Parker (2003). Diccionario McGraw-Hill de términos científicos y técnicos (6 ed.). McGraw-Hill. pag. 1370. ISBN 978-0-07-042313-8.
Un propulsor de cohete que consta de una sola sustancia, especialmente un líquido, capaz de generar el empuje de un cohete sin la adición de una segunda sustancia.
- ^ a b Corporación RAND (1959). "Propelentes". En Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (eds.). Manual espacial: astronáutica y sus aplicaciones (Informe técnico). Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos. págs. 42–46. 86.
- ^ "Recursos" . Rocket Motor Components, Inc. Archivado desde el original el 14 de enero de 2012.
- ^ [1] Archivado el 28 de septiembre de 2009 en la Wayback Machine.
- ↑ a b Sutton , 1992 , p. 230
- ^ "El motor bipropelente Aerojet establece un nuevo récord de rendimiento" . Aerojet Rocketdyne. 8 de diciembre de 2008 . Consultado el 13 de julio de 2014 .
- ^ Sutton 1992 , págs. 307-309
- ^ a b Corporación RAND (1959). "Sistemas de propulsión". En Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (eds.). Manual espacial: astronáutica y sus aplicaciones (Informe técnico). Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos. págs. 31–41. 86.
- ^ Sutton 1992 , cap. 7.
- ^ "Propulsores de hidracina monopropelente" . EADS Astrium. Archivado desde el original el 27 de marzo de 2010.
- ^ "óxido_etileno.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
- ^ "h2o2.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
- ^ "nitromethane.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
- ^ Sutton 1992 , p. 36
- ^ Dunn, Bruce P. (2001). "Programa de impulso específico de motor de cohete" . Dunn Engineering. Archivado desde el original el 20 de octubre de 2013.
- ^ Zakirov, Vadim; Dulce, Martín; Lawrence, Timothy; Vendedores, Jerry (2001). "Óxido nitroso como propulsor de cohetes". Acta Astronautica . 48 (5–12): 353–362. Código Bibliográfico : 2001AcAau..48..353Z . doi : 10.1016 / S0094-5765 (01) 00047-9 .
- ^ Morring, Frank, Jr. (21 de mayo de 2012). "SpaceX para entregar un banco de pruebas de propulsión verde a la ISS" . Semana de la aviación y tecnología espacial . Consultado el 13 de julio de 2014 .
- ^ Wernimont, Eric (2006). "Comparación de parámetros de comercio del sistema de monopropulsores: peróxido de hidrógeno frente a hidracina y otros" (PDF) . 42a Conferencia y exhibición conjunta de propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE . doi : 10.2514 / 6.2006-5236 .
enlaces externos
- Sutton, George P. (1992) [1949]. Elementos de propulsión de cohetes (6ª ed.). Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-52938-9.
- Hay un capítulo completo sobre la historia del desarrollo de monopropelentes en la autobiografía.
John D. Clark (1972). ¡Encendido! Una historia informal de los propulsores de cohetes líquidos (PDF) . ISBN 0-8135-0725-1.
- El libro "Las armas secretas de Alemania en la Segunda Guerra Mundial" de Roger Ford ( ISBN 0-7603-0847-0 c.2000) contiene información útil sobre la sorprendente diversidad de combustibles y propulsores empleados por la Alemania en tiempos de guerra.
- " La química de la pólvora y los explosivos " de Tenney L. Davis es una fuente de información excepcional, aunque obsoleta, sobre muchos aspectos de los compuestos de alta entalpía. (Este trabajo fue publicado originalmente por MIT Press, 1943, como un libro de texto. Reedición de subsidio hasta 1995 por Pyrotek Inc., una casa de suministros de cohetes de aficionados. No se proporcionan datos de catálogo en esta edición. Se desconoce el estado de publicación actual).
- Documento de conferencia de 1999 sobre usos históricos del peróxido de hidrógeno de grado cohete, incluidas las aplicaciones de monopropelentes