Los motores Liquid Rocket se pueden agrupar en un escenario, pero su rendimiento, peso y tamaño deciden y limitan en gran medida el diseño del lanzador. Los datos sobre los motores de lanzamiento más pequeños y nuevos no están disponibles, ya que están en desarrollo comercial. ¿Cuáles son algunos de los parámetros de diseño que cambian con la escala y cómo afecta esto su peso y rendimiento? ¿Cómo se podrían reducir los valores de los grandes motores antiguos para aproximarse a estos más pequeños?
Fundamentalmente, un motor de cohete líquido consta de dos partes: la cámara de combustión/tobera; y las turbobombas.
Cámara de combustión / boquilla
Es más fácil reducir la escala de una cámara de combustión que aumentarla. Lograr que el combustible y el oxidante se mezclen uniformemente en un motor grande es más difícil debido a las mayores distancias involucradas. Los motores grandes sufren de inestabilidad de combustión. Esto se puede solucionar añadiendo deflectores a la placa del inyector, como se hacía en los motores de F1 (7,77 MN de empuje) que propulsaban el Saturn V.
Dicho esto, desarrollar una cámara de combustión tan grande es una tarea enorme y (con la excepción del derivado F1A con un empuje de casi 9MN) nunca se ha desarrollado una cámara de combustión / boquilla de mayor empuje. La siguiente cámara de combustión más grande se encuentra en el RS68 (3.56MN de empuje).
Los soviéticos/rusos tienen una larga historia en la fabricación de motores con 4 cámaras de combustión/boquillas para evitar la inestabilidad de la combustión y reducir los costos de herramientas/desarrollo asociados con las cámaras de combustión grandes. El motor de cohete líquido más potente que ha volado, el RD170/RD171, utiliza esta estrategia. Con un empuje de 7.9MN, es solo un poco más potente que el F1, pero cada una de las cuatro boquillas solo produce una cuarta parte de ese empuje. De este motor se derivan el RD180 con dos cámaras de combustión, produciendo la mitad del empuje, y el RD191 con una cámara de combustión, produciendo la cuarta parte del empuje.
Un problema con la reducción de los motores es que se pierde proporcionalmente más calor, lo que hace que el motor sea menos eficiente. Pero el porcentaje de pérdida de calor en algo tan poderoso como un motor de cohete es mínimo de todos modos. Aunque el enfriamiento del motor es proporcionalmente un problema mayor en los motores pequeños, se pueden usar soluciones más simples para evitar la complejidad. Por ejemplo, se puede usar una boquilla ablativa en lugar de un sistema de refrigeración más complejo que implique la circulación de combustible a través de canales en la boquilla.
Turbobombas
Todos los motores grandes tienen sus turbobombas alimentadas de la misma manera: por combustión de la misma mezcla de combustible/oxidante que se utiliza en la cámara de combustión, ya que esta es la forma más eficiente. Hay variaciones en cómo se hace esto. Puede ser de ciclo abierto, en el que la cámara de combustión de la turbobomba funciona con una mezcla equilibrada* de propulsores y arroja el propulsor gastado por la borda, o puede ser de ciclo cerrado, en el que la cámara de combustión de la turbobomba funciona con una mezcla rica en combustible o en oxidante, que es luego se alimenta a la cámara de combustión para quemar más.
Algunos motores pequeños usan el mismo método, pero hay otras posibilidades.
Por ejemplo, el RL-10 (empuje de 110 kN) utiliza su combustible de hidrógeno para enfriar la boquilla, y se obtiene suficiente energía hirviendo el combustible en los canales de la boquilla para hacer funcionar todo el conjunto de turbobombas. Esto es posible para un motor pequeño ya que la relación entre el área superficial y el volumen es mayor.
En general, cuanto más pequeño es el motor, más desafiante es el diseño de la turbobomba. Esto se debe a que la presión generada es proporcional a la densidad del fluido por el cuadrado de la velocidad del borde exterior del rotor de la bomba, por lo que cuanto menor sea el diámetro de este componente, más rápido tiene que girar para alcanzar la misma presión. Las mismas reglas se aplican a la turbina que acciona la bomba. Este funciona con gas caliente que tiene una densidad mucho más baja que el combustible. Esto significa que diseñar una turbina pequeña y eficiente para hacer funcionar la turbobomba es aún más desafiante. Rocket Lab evitó el problema de diseñar una turbina de este tipo en su motor Rutherford (Thrust 22kN, el queroseno más pequeño que figura en Wikipedia) mediante el uso de un motor eléctrico para impulsar la turbobomba.
El motor Kestrel de SpaceX (en el ahora retirado Falcon 1) era aún más simple y dependía de tanques de combustible presurizados. Hay una penalización de peso por este enfoque para los tanques más fuertes, por lo que no se usaría en un motor grande.
Los empujes utilizados en esta respuesta son de wikipedia y se citan para la operación de vacío.
*( En la práctica, las turbobombas no funcionan con una mezcla perfectamente equilibrada de combustible/oxidante, incluso en motores de ciclo abierto, porque la temperatura de la llama sería demasiado alta para las palas de la turbina. Deliberadamente funcionan ricas en combustible o en oxidante para reducir la temperatura de la llama. )
uwe
rajath pai
GittingGud
rajath pai