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Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 1
Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla Curso 2013-2014
Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 11 – Propulsión Espacial
Introducción
2 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Los motores cohete son sistemas de propulsión autónomos. No dependen del medio exterior
El propulsante va almacenado abordo. Tipos:
MC químicos: Propulsante líquido Propulsante sólido Propulsante híbrido
MC eléctricos Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos
MC nucleares
Motores Cohete I
3 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Tipos de Cohetes Químicos Eléctricos Nucleares
Motores Cohete II
4 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Ventajas de los motores de cohete Es el motor más potente en relación a su peso No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente No requiere lubricación ni enfriamiento Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos Su reacción es instantánea No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de
miles de usos No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento No solo no contamina, sino que el cohete de peróxido de hidrógeno produce
oxígeno
Desventajas de los motores de cohete Es el motor que más combustible consume Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es
supersónico En los motores de propergol sólido, una vez comenzada la reacción esta
no se puede detener
Motores Cohete III
5 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Cohetes químicos sólidos
Motores Cohete IV
6 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
7
Impulso Específico
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motores Cohete Químicos
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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: O2 – H2 O2- RP1 (Rocket Propellantt~derivado keroseno) O2 – Monometil Hidracina
9 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
10 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
Helio o nitrógeno
3 depósitos alta presión
turbobombas
MC de propulsante líquido Sistema de alimentación - turbobombas
11 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
P&W RL10 SSME F1 Saturn II
MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motor P&W RL10 (Expander - III)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
MC de propulsante líquido Sistema de alimentación
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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 (vaporización) Sistema de ignición Cámara de reacción
En la combustión se libera una cantidad enorme de energía Potencia en plantas de vapor ~ 0.3 MW/m3 Potencia en aerorreactores ~ 300 MW/m3 Potencia en motores cohete ~ 30000 MW/m3
Problemas de refrigeración para no dañar la estructura
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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante líquido Cámara de Combustión – sistemas de inyección
MC de propulsante líquido Tobera de salida
Produce la expansión y aceleración de los gases hasta velocidades supersónicas
Geometría convergente divergente
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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 Nitroglicerina – Nitrocelulosa
Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible. Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato
potásico, … Combustible: poliuretano
Aplicaciones: Misiles Etapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle - SRB) Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante sólido Descripción general
Liftoff of the Shuttle Challenger for STS 51-L mission
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante sólido Descripción general
MC híbridos Descripción general
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motores Cohete Eléctricos
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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 espacio Proporcionan empujes muy pequeños: ~1 N
En los MC químicos: empujes ~107 N Aplicaciones fundamentales a la propulsión espacial Tipos:
Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
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MC termoeléctricos Resistojet
Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
space-qualified hydrazine resistojet
Calentamiento mediante arco eléctrico
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
hydrogen arcjet firing ammonium arcjet firing
diagram of an arcjet
MC electrostáticos Motor de Iones
El propulsante es primeramente ionizado y después acelerado mediante campos eléctricos
Arquitectura: Generador de iones Acelerador Neutralizador
Proceso de ionización: Bombardeo con electrones Contacto con filtro de Wolframio caliente
Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen bajas energías de ionización
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC electrostáticos Motor de Iones
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC electromagnéticos Propulsante: fluido conductor eléctricamente La aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza
de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos Rail guns Magnetoplasmadynamic (MPD) Thrusters Hall Thrusters Pulsed Inductive Thrusters Pulsed Plasma Thrusters Field Emission Electric Propulsion (FEEP) Thrusters Mass Drivers
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Magnetoplasmadynamic Thuster Hall Effect Thruster
Pulsed Plasma Thuster Pulsed Inductive Thuster
Motores Cohete Nucleares
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC Termonucleares
El propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Referencias
Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de 2008.
Wikipedia, http://en.wikipedia.org
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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