MOTORES COHETE Espacialidad PA

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1 MOTORES COHETE Espacialidad PA Juan Manuel Tizón Pulido Departamento de Motopropulsión y Termofluidodinámica

2 Lección 2a: Funcionamiento y descripción de motores cohete Propulsión química Propulsante sólido Propulsante líquido Propulsante hibrido Motores cohete termonucleares Propulsión eléctrica Motores cohete electrotérmicos Motores cohete electroestáticos Motores cohete electromagnéticos

3 PROPULSIÓN FLUIDODINÁMICA QUÍMICOS NUCLEARES TÉRMICOS SOLAR/NUCLEAR ELÉCTRICOS Empuje (N) Empuje/peso Impulso (s) Sólidos < Líquidos < Híbridos < Fisión < 10 5 (no pequeños) < Fusión Resisto-jet Arco eléctrico Electrostáticos Electromagnéticos Fluido de trabajo T máx (K) Prod. de comb. de prop. sólidos 3000 Prod. de comb. de prop. sólidos 4400 Prod. de comb. de prop. sólidos y líquidos H H 2, N 2 H 4, NH N 2 H 4, H 2, NH Hg, X e, Kr, Ar, Cs, Bi Ar, H 2, Li, Teflón Estado y Aplicaciones Utilización: JATO, misiles y misiones espaciales en general Utilización: JATO, misiles y misiones espaciales en general Utilización e I+D: JATO, misiles y misiones espaciales en general Investigación y Desarrollo: misiones de superficie e interplanetarias Investigación Básica: misiones de superficie, interplanetarias e interestelares Utilización: misiones de satélites Utilización: misiones de satélites Utilización e I+D: misiones de satélites e interplanetarias Utilización e I+D: misiones de satélites e interplanetarias Vela Solar 10-5 N/m Desarrollo: Cosmos 1 2

4 Motor Cohete Químico Motor cohete de propulsante sólido El motor cohete de propulsante solido es el sistema de propulsión más sencillo que se puede imaginar. Consiste en una vasija de presión rellena de una mezcla de componentes sólidos energéticos, que reaccionan químicamente a ritmo rápido produciendo gases a alta temperatura y presión que son expelidos por una tobera que los acelera y produce la consiguiente fuerza de empuje.

5 Motor Cohete Químico Motor cohete de propulsante líquido El motor cohete de propulsante líquido consiste en la utilización de sustancias (una, dos o, incluso, tres) en estado líquido, almacenadas en depósitos independientes, que usualmente sufren una reacción exotérmica (combustión) que libera gran cantidad de energía en una cámara de combustión. El proceso produce gases a alta presión y temperatura que se expansionan en una tobera convergente-divergente que produce altas velocidades de salida. Las posibilidades de suministro de los propulsantes son muy amplias, así como, los líquidos a emplear. Presurización activa (turboalimentado) Presurización pasiva (gas inerte)

6 Motor Cohete Químico Motor cohete de propulsante hibrido El motor cohete de propulsante híbrido consiste en la utilización de propulsantes sólidos y líquidos simultáneamente (usualmente reductor sólido con oxidante líquido) compartiendo las ventajas e inconvenientes de cada unos de los sistemas.

7 Shuttle

8 Motor SSME

9 NK 33 y NK 34 Tecnología de los años 70 s El NK-33 y NK-43 son motores de cohete diseñado y construido en la década de 1960 y principios de 1970 por la Oficina de Diseño Kuznetsov. Estaban destinados al malogrado cohete lunar soviético N- 1. El motor NK-33 alcanza la más alta relación de empuje-a-peso de cualquier motor de cohete lanzable desde la Tierra, logrando al mismo tiempo un impulso específico muy alto. NK-33 posee las más altas prestaciones de cualquier motor cohete alimentado por LOX / RP-1 jamás creado. El NK-43 es similar al NK-33, pero está diseñado para etapas superiores. Cuenta con una tobera más larga, optimizada para un funcionamiento a gran altitud, donde la presión del aire ambiente es baja o nula. Esto le da un mayor empuje e impulso específico, pero lo hace más largo y más pesado. En 2010 se probaron con éxito motores NK-33 para su uso en el cohete Antares de la Orbital Sciences.

10 IUS

11 Proyecto SpaceShipOne Motor cohete Híbrido En octubre de 2004, el SpaceShipOne consiguió alcanzar el espacio y ganar el premio Ansari X-Prize, dotado con 10 millones de dólares, al proclamarse el primer vehículo espacial tripulado de capital privado. Para poder volar, la nave es primero transportada hasta una altitud de 15 km por el avión White Knight. Al llegar a la altura designada, la SpaceShipOne se suelta del White Knight; unos segundos después enciende su motor, ascendiendo en pocos minutos hasta los 100 km. Antes de iniciar el descenso, la nave pliega sus alas de forma que presenta un perfil aerodinámico estable hasta que llega a cotas bajas, donde devuelve las alas a su forma original y planea hasta aterrizar en un aeropuerto convencional.

12 Motor cohete del SpaceShipOne Motor Cohete Híbrido La nave SpaceShipOne es una nave espacial suborbital con espacio para un tripulante con dos pasajeros. Poseeunmotordecohetequeconsumeunamezclade combustible sólido (HTPB) y óxido nitroso (N 2 O). El sistema combina la ventaja de poder modular el empuje (incluso articulando paradas y arranques) con la simplicidad y compacidad del sistema, ya que, no es necesario sistema de presurización al tener el oxido nitroso una presión de vapor a temperatura ambiente de 70 bares. A cambio las actuaciones propulsivas de este reductor y oxidante son relativamente modestas.

13 Propulsión Química PROPULSANTE SÓLIDO Concepto simple (diseño, precio, etc..). Alta fiabilidad. Fácil operación. Fácil almacenaje. Fácilmente escalable a altos empujes. Densidad de energía muy alta. Tiempo de combustión limitado (2 min.). Flexibilidad operacional limitada (curva de empuje fija). Imposibilidad de realizar pruebas funcionales. Imposibilidad de parada por seguridad. PROPULSANTE LÍQUIDO Sistema complejo (diseño, precio, etc..). Buena fiabilidad (aunque alta complejidad). Difícil operación (sobre todo los criogénicos). Almacenaje comprometido. Difícilmente escalable a altos empujes (empaquetamiento). Alta disponibilidad de propulsantes de alta energía. Tiempo de combustión alto. Flexibilidad operacional alta (arranques y paradas). Posibilidad de realizar pruebas funcionales pre-vuelo. Posibilidad de parada por seguridad. IUS Ares Patriot J-2 SSME

14 Motores cohete termonucleares Descripción Los motores cohete termonucleares funcionan utilizando el núcleo del reactor nuclear como fuente de energía térmica para calentar el propulsante (hidrogeno) que posteriormente se expansiona en una tobera convergentedivergente obteniendo altas velocidades de salida que proporcionan impulsos específicos de hasta 925 s.

15 Motores cohete termonucleares Evolución histórica El proyecto NERVA comenzó en 1955 cuando la Comisión de la Energía Atómica americana y los Laboratorios de Los Álamos querían desarrollar un misil militar propulsado por energía nuclear. La creación de la NASA en 1958 propicio que el desarrollo se trasladara a Aerojet y Westinghouse. Durante finales de lo 60 s y principios de los 70 s se trabajó en muchos proyectos (KIWI-A, KIWI-B, Phoebus, ) pero la administración americana recortó presupuestos en este área. Desde entonces se han sucedido diversos proyectos que no han llegado a realizaciones practicas. En la actualidad el uso de la energía nuclear se contempla como fuente de potencia eléctrica para alimentar aceleradores de iones. Proyecto NERVA Proyecto BNTR (Bimodal Nuclear Thermal Rocket)

16 Propulsión Eléctrica Electrotérmicos Electroestáticos Electromagnéticos Electromagnéticos Resistojet Sistemas en los que por medio de una resistencia eléctrica se calienta el fluido de trabajo que luego es expandido en una tobera convencional Acelerador iónico Después de producir la ionización del propulsantes esta es acelerado mediante campos eléctricos producidos entre rejillas a diferentes potenciales. VASIRM Este motor produce plasma por medio de una antena de radio frecuencia que luego se acelera en una novedosa tobera magnética Motor de efecto Hall Este acelerador de iones emplea la corriente de Hall para el proceso de ionización Arc-jet El fluido de trabajo se calienta mediante un arco eléctrico y posteriormente es acelerado en una tobera fluidodinámica Field Emision Electric Propulsion (Feed) Estos sistemas funcionan mediante electro-atomización de fluidos coloidales y aceleración electroestática MPD Los aceleradores magnetoplasma-dinámicos producen un chorro de plasma mediante fuertes diferencias de potencial que luego se acelera por medio campos magnéticos externos y/o autoinducidos. Pulse Plasma Thruster (PPT) Este tipo de propulsores sublima teflón mediante una descarga eléctrica y el plasma formado es acelerado en un campo magnético

17 Sistemas de Propulsión (TRL>4)

18 Motor Cohete Electrotérmico Resistojet (TRL = 8) Estos propulsores calientan el fluido de trabajo mediante resistencias eléctricas Arcjet (TRL = 7,8) Los motores cohete de arco eléctrico utilizan este sistema para producir un intenso calentamiento del propulsante (usualmente hidrogeno).

19 Motor Cohete Electroestático Acelerador de iones (TRL = 9) Los motores cohete electroestáticos funcionan acelerando ipropulsante ionizado mediante la intervención de campos electroestáticos. Resulta imprescindible contar con un sistema de producción de iones y un sistema de neutralización del chorro de salida que impida la atracción de estos por el vehículo así como la adquisición de carga eléctrica neta. Harold R. Kaufman fue un físico norteamericano que durante los años 60 s desarrolló el sistema de generación de iones por bombardeo en NACA que desembocó en las primeras pruebas de una acelerador electrostático de iones en el espacio en las misione SERT I y SERT II. Posteriormente, Kaufman continuó sus investigaciones en la generación de iones en el ámbito privado.

20 Motor Cohete Electrostático (9) Acelerador de iones (TRL = 9) En los últimos años se a prestado especial interés en el desarrollo de motores electrostáticos debido a las altas prestaciones que presentan (alto impulso específico). Existen una gran cantidad de proyectos recientes, realizados o en curso, que implican el desarrollo de aceleradores de iones: (NASA) Solar electric propulsion Technology Application Readiness (NSTAR, sonda DeepSpace, 1998) NASA s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT, 2003) Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS) (NASA) High Power Electric Propulsion (HiPEP) (EADS) Radio-Frequency Ion Thruster (RIT) (ESA-ANU) Dual-Stage 4-Grid (DS4G, 2006) DS4G Estos proyectos abordan el desarrollo de aceleradores de iones mejorando la vida, aumentando la potencia o ensayando configuraciones avanzadas.

21 Motor Cohete Electroestático Field Emission Electric Propulsion (FEEP) (TRL = 8) El funcionamiento se basa en la atomización electrostática de aceites dieléctricos de muy baja presión de vapor, cesio y glicerina. La diferencia de potencial entre la aguja y la rejilla de aceleración es de 3 a 15 kv, produciéndose la ionización cuando el campo eléctrico local alcanza un valor umbral típico. Motores muy eficientes (rendimientos altos de hasta 95%) con alto impulso especifico (entre 4000 s a 6000s) y muy bajo empuje (inferior al milinewton por cada centímetro de profundidad del motor).

22 Motor Cohete Electromagnético STP: Stationary Plasma Thruster (TRL = 8-9) El motor del efecto de Hall es un tipo de acelerador de iones en el cual el propulsante es acelerado por un campo eléctrico en una descarga del plasma con un campo magnético radial. También conocido simplemente como propulsores de plasma, se utiliza el efecto Hall para atrapar electrones que son utilizados para ionizar el propulsante, y neutraliza los iones en el penacho de salida. Se estudiaron independientemente en los E.E.U.U. y la Unión Soviética en los años 50 y los años 60, aunque su desarrollo tecnológico como motor tubo lugar solo en la URSS (unos 200 motores han volado en los satélites soviéticos/rusos en los últimos treinta años). Utilizados, principalmente para tareas de mantenimiento de orbita y orientación de satélites, en la actualidad se trabaja en su escalado para desarrollar sistemas de propulsión principal.

23 Motor Cohete Electromagnético VSIMR: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (TRL = 5) El motor VASIMR fue ideado por el costarricense y ex-astronauta de la NASA Franking Chang Díaz en Se treta de un motor de gran potencia (hasta 10 MW) que tiene la posibilidad de modular el impulso especifico (entre 3000 s. y 30000s). El funcionamiento se basa en la ionización del hidrogeno mediante radiofrecuencia (antena helicon) su recalentamiento mediante el uso de microondas a temperaturas extremas y, finalmente, el plasma es acelerado en una tobera magnética cuyo funcionamiento es análogo al de una tobera convencional. La tobera magnética conduce el plasma mediante una configuración de líneas de campo magnético a través de una sección convergente-divergente que produce su aceleración.

24 Motor Cohete Electromagnético Pulse Plasma Thruster (TRL = 7-8?) En la figura aparece uno de los motores PPT para el satélite de observación terrestre EO-1 (año 2000) con empujes en el rango del ,20 mn dedicados a tareas de posicionamiento. El impulso específico es de 1150 segundos y aunque la relación empuje/peso es deficiente (0,1 mn/kg) la precisión alcanzada en los pulsos (del orden del micronewton cada uno) es muy alta, permitiendo maniobras muy precisas. Los Motores PPT empezaron a concebirse a finales de los años 50 s entrando en servicio muy tempranamente y utilizados en la actualidad bajo condiciones de alta fiabilidad.

25 Motor Cohete Electromagnético MPD: Magneto Plasma Dynamics (TRL = 6) El esquema de funcionamiento de un motor MPD es similar al motor de arco eléctrico pero con tensiones de funcionamiento mucho mayores que producen corrientes tan intensas que, incluso, el campo magnético autoinducido puede jugar un papel importante en el proceso de aceleración del plasma impulsado por un campo magnético exterior.