¿Cómo los motores de cohetes producen más empuje que los motores a reacción de los aviones?

No puedo encontrar la razón por la cual los cohetes pueden producir tanto empuje en comparación con los turborreactores.

Sé que los cohetes llevan su propio suministro de oxígeno ya que no hay oxígeno en el espacio ni en la región superior de nuestra atmósfera. Y que las etapas superiores usan hidrógeno para un mayor alcance.

Pero dado que RP-1 es básicamente queroseno. Una forma altamente refinada de queroseno que se usa en aviones a reacción, pero no obstante queroseno. ¿Hay algo más que le dé a la primera etapa del cohete su empuje increíble o todo se debe al combustible RP-1?

No obtendría muchas horas de uso de un motor a reacción que emitía un empuje similar al de un cohete de carenado espacial promedio, e incluso si pudiera, la mayoría de los pasajeros no se sentirían cómodos sentados sobre el tipo de combustibles que podrían producirlo
Sí, pero ¿cómo es que es capaz de exprimir tanto empuje aunque sea por poco tiempo? es el combustible o es otra cosa?
Bueno, es un poco de todo, no creo que haya una sola respuesta para esto. Quiero decir, aparte de que ambos dependen de la expulsión de gases para crear empuje, su motor de cohete promedio realmente no comparte nada en común con su motor de avión comercial promedio. Diferentes principios de funcionamiento, diferentes casos de uso, diferentes diseños, etc. También puede preguntar por qué un 747 no puede ir al espacio en mi opinión.
¿Ayuda que el combustible se queme con el oxidante LOx en lugar de aire donde solo el 21% es oxígeno?
@F.Sherrif que solo ayuda desde el punto de vista de que el cohete puede funcionar en entornos sin oxígeno adecuado y que la relación combustible/oxidante puede optimizarse para toda la quema. Su pregunta podría mejorarse al indicar lo que sabe sobre los motores de cohetes para que el alcance pueda reducirse al escribir un artículo completo sobre cómo funcionan los cohetes.
"A medida que empujan el transbordador hacia la órbita, los motores consumen combustible líquido a un ritmo que vaciaría una piscina familiar promedio en menos de 25 segundos y generaría más de 37 millones de caballos de fuerza". ( fuente ). Esta masa se expulsa para proporcionar empuje (además del empuje de los propulsores). Tenga en cuenta que el impulso específico de SSME es mucho más bajo que un turboventilador, lo que significa que son menos eficientes.
Compare el tamaño del tanque de combustible (LH2) del transbordador Buran ( fuente ) con un avión, e imagine que esto es solo para un vuelo de 10 minutos. La tasa de combustible explica por qué el empuje es tan alto, mientras que los motores son menos eficientes. Se utilizan turbobombas muy eficientes para proporcionar este caudal.
Es al revés: se requieren las primeras etapas de los cohetes para acelerar cargas de combustible muy grandes verticalmente , a velocidades mucho más altas que las de los aviones. Por lo tanto, se requiere que produzcan una gran cantidad de energía y se construyan en consecuencia.
El combustible para cohetes está bajo una presión muy alta, lo que permite que se consuma a un ritmo mucho más rápido: los motores a reacción usan hélices para crear presión desde la entrada, pero hay un límite en cuanto a la cantidad que realmente se puede producir debido a su naturaleza giratoria, mientras que los cohetes no tienen esta limitación. También como mencionó F.Sherrif, están quemando combustibles mucho más puros.

Respuestas (7)

Por un lado, no solo mire el motor, sino todo el sistema de propulsión. Esto incluye tanques, tuberías, controles, bombas y el motor real. Ahora el cohete se ve mucho menos favorable, especialmente si dimensionas los tanques para tiempos de funcionamiento iguales.

El cohete no necesita ninguna de las partes que están delante de la cámara de combustión de un jet y tampoco necesita la turbina. Además, al estar diseñado solo para empuje completo, no necesita una boquilla ajustable. Mire a continuación la instalación del motor de un avión de pasajeros típico (lo intenté pero no pude encontrar una sección transversal adecuada de un turborreactor más admisión):

Dibujo en corte del motor a reacción y la góndola

Dibujo en corte del motor a reacción y la góndola ( fuente de la imagen ). Como @Talisker observó correctamente en los comentarios, las etiquetas "jet de alta velocidad" y "jet de baja velocidad" deben intercambiarse para que sean correctas.

Solo la parte etiquetada como "combustor" y la sección trasera de la turbina son comparables a un motor de cohete; todo lo demás es necesario para acondicionar y comprimir el aire o impulsar la maquinaria turbo en el frente. Un cohete disfruta del lujo de ser alimentado con propulsor y oxidante en la proporción y condición adecuadas y a alta presión, y dado que el oxidante es principalmente oxígeno líquido puro, las bombas turbo para comprimirlo pueden ser mucho más pequeñas que la maquinaria turbo de un jet. que trabaja con una mezcla de gases 80% nitrógeno - 20% oxígeno.

Gracias Señor. Pero cuando dice que el combustible y el oxidante se mezclan en la proporción correcta. ¿Quiere decir que se puede agregar más oxígeno para extraer más empuje en lugar de que un turborreactor tendría que arreglárselas con el oxígeno en el aire comprimido?
@RoryAlsop, el turborreactor tendrá una proporción mucho mejor de oxígeno a combustible, en realidad. La mayoría funciona con mucho exceso de oxígeno para lograr una buena combustión. Pero como no puede extraer más energía de una cantidad dada de combustible agregando más oxígeno (por encima de la relación estequiométrica) de todos modos, ¡no importa!
@F.Sherrif Rockets usa suficiente oxígeno para calentar la mezcla a una temperatura antes de que la ionización consuma demasiada energía, lo que da como resultado una densidad más baja del flujo y, por lo tanto, un impulso específico más alto. Los jets preferirían tener menos oxígeno, pero necesitan el flujo másico para impulsarse. Aceleran el flujo de escape mucho menos que un cohete.
@F.Sherrif, no puede extraer más empuje de la misma cantidad de combustible agregando más oxígeno. Sin embargo, dado que la bomba de oxígeno líquido puede proporcionar mucho más oxígeno que un compresor de aire de tamaño comparable, se puede construir un motor cohete para quemar mucho más combustible por unidad de tiempo.
@JanHudec Ese es el punto clave que me perdí: las bombas en los motores de cohetes se alimentan de líquidos, no de gases. Esto les permite ser mucho más pequeños.
Muchas gracias Peter Kampf y Jan Hudec por sus respuestas :) Ahora entiendo.
@PeterKämpf Solo por curiosidad, digamos, un vuelo de 3-4 horas tuvo que llevar todo su O2 oxidante en un tanque criogénico, ¿qué tamaño tendría que tener?
@curious_cat: ¿Solo el oxígeno necesario para quemar combustible? Para quemar 1 kg de queroseno necesitas 15,6 kg de aire o 3,59 kg de O 2 . Su densidad como líquido es de 1,14 g/cc, por lo que utilizará 2,65 veces el volumen de combustible. Sin embargo, se requiere un tanque criogénico con suficiente aislamiento. Para hacer funcionar motores a reacción regulares, aún necesitaría mucho gas de proceso. Llevar eso también es imposible.
@curious_cat: creo que sería una excelente pregunta de seguimiento. Hemos tenido preguntas sobre por qué los aviones no llevan su propio oxidante, y la respuesta siempre es que se necesita mucho para ser práctico , pero no recuerdo una respuesta que indique cuánto se necesitaría , ya sea práctico o no.
Un punto secundario, pero ¿es exacto en el diagrama que usó para que el flujo central esté etiquetado como "chorro de baja velocidad" y el flujo del ventilador sea "de alta velocidad"? Sé que la mayor parte del empuje proviene del ventilador debido al enorme flujo de masa, pero pensé que el escape del chorro real todavía tenía una contribución de empuje específica más alta.
@Talisker: ¡Bien visto! Por supuesto, las etiquetas están mal y deben cambiarse. ¡No lo noté yo mismo!

Parece como si todos se hubieran perdido la respuesta simple y obvia: la velocidad a la que el motor quema combustible. Para tomar un ejemplo concreto, la primera etapa del Saturno V llevaba 205 400 gal/770 000 l de combustible de queroseno, que se quemó en poco menos de 3 minutos: https://www.space.com/18422-apollo-saturn-v- moon-rocket-nasa-infografia.html

Por el contrario, un Boeing 747 transporta aproximadamente una cuarta parte (48 445 gal/183 380 l) y lo quema durante quizás 12 horas.

El motor de cohete produce el mismo empuje independientemente de la velocidad a la que se mueva. De manera diferente, el empuje del motor a reacción depende de la velocidad y disminuye a medida que aumenta la velocidad, debido a la resistencia del ariete. Es en gran medida inútil si la velocidad del motor se acerca a la velocidad de escape. La fórmula exacta para la eficiencia se puede encontrar aquí :

η pag = 2 1 + v mi v

Como resultado, el motor del cohete puede producir un empuje significativamente mayor si la velocidad es realmente alta.

La primera razón, y la más importante, es que se bombea y quema más combustible. ¿Por qué la batería de un automóvil tiene más energía almacenada que una batería AA? Porque está diseñado para ser más grande, porque eso es necesario para los requisitos de diseño. Pero, este no es siempre el caso. El cohete de mercurio y piedra roja que transportaba a Alan Shepard tenía 78 000 libras de empuje, mientras que el Boeing 777 puede tener hasta 115 000 libras de empuje por motor.

Entonces, ¿está diciendo que un turboventilador y un cohete de proporciones similares podrían tener resultados similares?
No dijiste nada sobre proporciones. Tus preguntas están mal formuladas. Es como decir "¿puede una pala o una retroexcavadora mover más tierra?" La respuesta es que depende del diseño específico de cada uno... Generalmente, el empuje de una turbina de gas no está limitado por la cantidad de combustible que puede descargar. en ello.
Parece una respuesta precisa, más masa expulsada a mayor velocidad. Una de las dificultades es la alimentación del motor, por eso la complejidad de las turbobombas que deben elevar la presión del combustible líquido u oxidante de 2 bares a algo así como 500 bares. La energía requerida para bombear propulsores es enorme. Vea esta pregunta en SE .

La respuesta es más simple de lo que otros mencionan aquí. Es simplemente que el cohete opera a temperaturas mucho más altas que las turbinas de gas. Esto se traduce en más empuje a mayores temperaturas. Los álabes de las turbinas de los turborreactores se derretirían a temperaturas tan altas. Los cohetes enfrían el revestimiento exterior de la cámara de combustión del cohete. Esto se logra mediante el uso de hidrógeno líquido extremadamente frío en tuberías que recubren la cámara de combustión caliente. La temperatura más alta en los cohetes da más empuje.

No estoy seguro de entender lo que quieres decir. La temperatura podría desempeñar un papel (aunque no tengo idea de cuánto), pero sospecho que tiene que ver con la producción de energía y la tasa de presión/combustible en los motores.
Esto es incorrecto. Bueno, es cierto que las temperaturas son más altas en los motores de cohetes, pero es insignificante en comparación con la cantidad de combustible que se quema por segundo (que se mencionó en otras respuestas). La temperatura de combustión se determina químicamente para una mezcla dada; el motor de un automóvil que quema una mezcla (casi) estequiométrica tiene una temperatura de combustión comparable a la de un motor de cohete; simplemente no es continuo. O, otro ejemplo, el postquemador: por lo general, tiene una temperatura entre un 30 y un 40 % más alta que en la cámara principal, pero triplica el flujo de combustible (para casi duplicar el empuje).
@dalearn Una temperatura más alta significa más energía potencial, significa una presión más alta, significa una velocidad más alta de escape de gases.

Un par de razones.

  1. El aire atmosférico es un oxidante relativamente pésimo. En primer lugar, es solo un 20% de oxígeno, en segundo lugar, es un gas, por lo que debe mover grandes volúmenes a la cámara de combustión. En tercer lugar, la presión y el volumen disponibles varían con el régimen de vuelo.
  2. Los motores a reacción tienen una turbina aguas abajo de la cámara de combustión. Esto limita las temperaturas de la cámara que se pueden usar (concedido que puede evitarlo usando un dispositivo de poscombustión).

Los cohetes de lanzamiento orbital utilizan oxígeno líquido alimentado por turbobombas alimentadas por separado, por lo que no tienen estos problemas.

Por supuesto, la compensación es que los cohetes queman una gran cantidad de combustible y oxidante, por lo que solo pueden mantener un gran empuje durante un tiempo relativamente corto. Para entrar en órbita eso es lo que necesita, para volar un avión, un motor con peor relación peso-peso pero menor consumo de combustible específico de empuje es una mejor opción.

El empuje generado por un cohete se puede relacionar matemáticamente con la cantidad y energía específica del propulsor o propulsores y el tiempo de combustión. A diferencia del empuje de un motor turborreactor, no está limitado por la masa de aire que puede comprimirse y mezclarse con el combustible en un tiempo determinado ni por la concentración de oxígeno en la atmósfera.

¿Cómo los motores de cohetes producen más empuje que los motores a reacción de los aviones?
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