Introducción a la Ing. Aeroespacial

Transcripción

1 Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 11 Propulsión Espacial Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Curso Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 1

2 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 2 Introducción 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

3 Motores Cohete I Tipos de Cohetes Químicos Eléctricos Nucleares Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 3

4 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 4 Motores Cohete II 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

5 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 5 Motores Cohete III Cohetes químicos sólidos

6 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 6 Motores Cohete IV

7 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 7 Impulso Específico

8 Motores Cohete Químicos Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

9 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 9 MC de propulsante líquido Propulsante Monopropulsantes Energía obtenida de la descomposición de una única sustancia El más conocido es la hidracina (N 2 H 4 ) Aplicación principal a motores pequeños de control de actitud Bipropulsantes Energía obtenida de la reacción química entre dos sustancias: oxidante + combustible Combinaciones típicas: O 2 H 2 O 2 - RP1 (Rocket Propellantt~derivado keroseno) O 2 Monometil Hidracina

10 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 10 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación Helio o nitrógeno turbobombas 3 depósitos alta presión

11 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 11 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación - turbobombas F1 Saturn II SSME P&W RL10

12 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

13 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial MC de propulsante líquido Sistema de alimentación Motor P&W RL10 (Expander - III)

14 MC de propulsante líquido Sistema de alimentación Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

15 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/m 3 Potencia en aerorreactores ~ 300 MW/m 3 Potencia en motores cohete ~ MW/m 3 Problemas de refrigeración para no dañar la estructura

16 MC de propulsante líquido Cámara de Combustión Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

17 MC de propulsante líquido Cámara de Combustión sistemas de inyección Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

18 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial MC de propulsante líquido Tobera de salida Produce la expansión y aceleración de los gases hasta velocidades supersónicas Geometría convergente divergente

19 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)

20 MC de propulsante sólido Descripción general Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

21 Liftoff of the Shuttle Challenger for STS 51-L mission

22 MC de propulsante sólido Descripción general Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

23 MC híbridos Descripción general Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

24 Motores Cohete Eléctricos Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

25 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 ~10 7 N Aplicaciones fundamentales a la propulsión espacial Tipos: Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos

26 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

27 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial MC termoeléctricos Resistojet Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante space-qualified hydrazine resistojet

28 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Calentamiento mediante arco eléctrico diagram of an arcjet hydrogen arcjet firing ammonium arcjet firing

29 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

30 MC electrostáticos Motor de Iones Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

31 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 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

32 Magnetoplasmadynamic Thuster Hall Effect Thruster Pulsed Plasma Thuster Pulsed Inductive Thuster

33 Motores Cohete Nucleares Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

34 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial MC Termonucleares El propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera

35 Referencias Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de Wikipedia, Introducción a la Ingeniería Aeroespacial