Sistemas de Propulsión Tema 7: Descripción General de los Motores Cohete Francisco Gavilán Jiménez Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Curso 2007-2008 Introducción Los motores cohete son sistemas de propulsión autónomos. No dependen del medio exterior El propulsante va almacenado abordo. Tipos: MC químicos: MC eléctricos Propulsante líquido Propulsante sólido Propulsante híbrido Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos MC nucleares 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 2 Motores Cohete Químicos MC de propulsante líquido Propulsante Monopropulsantes Energía obtenida de la descomposición de una única sustancia El más conocido es la hidracina (N2H4) Aplicación principal a motores pequeños de control de actitud Bipropulsantes Energía obtenida de la reacción química entre dos sustancias: oxidante + combustible Combinaciones típicas: 25/04/2008 O2 – H2 O2- RP1 O2 – Monometil Hidracina Sistemas de Propulsión 4 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 5 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 6 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 7 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación Motor P&W RL10 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 8 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 9 MC de propulsante líquido Cámara de Combustión Función: generar gas a alta temperatura y presión para que pueda ser acelerado en la tobera Componentes: Matriz de inyectores Sistema de ignición Cámara de reacción En la combustión se libera una cantidad enorme de energía (~ 30000 MW/m3) Problemas de refrigeración para no dañar la estructura 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 10 MC de propulsante líquido Cámara de Combustión 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 11 MC de propulsante líquido Cámara de Combustión 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 12 MC de propulsante líquido Tobera de salida Produce la expansión y aceleración de los gases hasta velocidades supersónicas Geometría convergente divergente 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 13 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 coste Tipos: Homogéneos: oxidante y combustible contenidos en una misma molécula Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible. Nitroglicerina – Nitrocelulosa Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato potásico, … Combustible: poliuretano Aplicaciones: Misiles Etapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle) Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy) 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 14 MC de propulsante sólido Descripción general 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 15 MC de propulsante sólido Descripción general 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 16 MC híbridos Descripción general 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 17 Motores Cohete Eléctricos MC eléctricos Generalidades Utilizan energía eléctrica para calentar y/o acelerar el propulsante Se trata de la forma más eficiente de añadir energía al propulsante en el espacio Proporcionan empujes muy pequeños: ~1 N Mayor autonomía: no necesitan eyectar grandes cantidades de propulsante para conseguir empuje En los MC químicos: empujes ~107 N Aplicaciones fundamentales a la propulsión espacial Tipos: Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 19 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: Resistojet Motor de arco eléctrico 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 20 MC termoeléctricos Resistojet Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 21 MC termoeléctricos Motor de arco eléctrico Calentamiento mediante arco eléctrico 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 22 MC electrostáticos Motor de Iones El propulsante es primeramente ionizado y después acelerado mediante campos eléctricos Arquitectura: Proceso de ionización: Generador de iones Acelerador Neutralizador Bombardeo con electrones Contacto con filtro de Wolframio caliente Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen bajas energías de ionización 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 23 MC electrostáticos Motor de Iones 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 24 MC electromagnéticos Propulsante: fluido conductor eléctricamente La aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 25 Motores Cohete Nucleares MC Termonucleares El propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 27 Referencias Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de 2008. Wikipedia, http://en.wikipedia.org 25/04/2008 Sistemas de Propulsión 28