Sistemas de Propulsión

Francisco Gavilán Jiménez

Escuela Superior de IngenierosUniversidad de Sevilla

Curso 2007-2008

Tema 7: Descripción General de los Motores Cohete

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IntroducciónLos motores cohete son sistemas de propulsión autónomos. No dependen del medio exteriorEl propulsante va almacenado abordo.Tipos:

MC químicos:Propulsante líquidoPropulsante sólidoPropulsante híbrido

MC eléctricosTermoeléctricosElectrostáticosElectromagnéticos

MC nucleares

Motores Cohete Químicos

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MC de propulsante líquido Propulsante

MonopropulsantesEnergía obtenida de la descomposición de una única sustanciaEl más conocido es la hidracina (N2H4)Aplicación principal a motores pequeños de control de actitud

BipropulsantesEnergía obtenida de la reacción química entre dos sustancias: oxidante + combustibleCombinaciones típicas:

O2 – H2O2- RP1O2 – Monometil Hidracina

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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación

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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación

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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación

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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación

Motor P&W RL10

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MC de propulsante líquido Sistema de alimentación

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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión

Función: generar gas a alta temperatura y presión para que pueda ser acelerado en la toberaComponentes:

Matriz de inyectoresSistema de igniciónCámara de reacción

En la combustión se libera una cantidad enorme de energía (~ 30000 MW/m3)

Problemas de refrigeración para no dañar la estructura

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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión

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MC de propulsante líquido Cámara de Combustión

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MC de propulsante líquido Tobera de salida

Produce la expansión y aceleración de los gases hasta velocidades supersónicasGeometría convergente divergente

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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 costeTipos:

Homogéneos: oxidante y combustible contenidos en una misma moléculaNitroglicerina – Nitrocelulosa

Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible.Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato potásico, …Combustible: poliuretano

Aplicaciones:MisilesEtapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle)Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy)

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MC de propulsante sólido Descripción general

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MC de propulsante sólido Descripción general

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MC híbridos Descripción general

Motores Cohete Eléctricos

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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 espacioProporcionan empujes muy pequeños: ~1 N

En los MC químicos: empujes ~107 NAplicaciones fundamentales a la propulsión espacialTipos:

TermoeléctricosElectrostáticosElectromagnéticos

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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:

ResistojetMotor de arco eléctrico

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MC termoeléctricos Resistojet

Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante

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MC termoeléctricos Motor de arco eléctrico

Calentamiento mediante arco eléctrico

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MC electrostáticos Motor de Iones

El propulsante es primeramente ionizado y después acelerado mediante campos eléctricosArquitectura:

Generador de ionesAceleradorNeutralizador

Proceso de ionización:Bombardeo con electronesContacto con filtro de Wolframio caliente

Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen bajas energías de ionización

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MC electrostáticos Motor de Iones

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MC electromagnéticos

Propulsante: fluido conductor eléctricamenteLa aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos

Motores Cohete Nucleares

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MC TermonuclearesEl propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera

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Referencias

Damián Rivas. Sistemas de Propulsión, Febrero de 2008.Wikipedia, http://en.wikipedia.org