¿El motor NK-33 requiere queroseno subenfriado tan frío que se convierte en cera?

La confusión abunda. Spaceflight 101 tiene esto que decir sobre el NK-33:

El NK-33 requiere oxígeno subenfriado con una temperatura por debajo de su punto de ebullición de -183 grados centígrados para enfriar los cojinetes de la turbobomba que, de lo contrario, fallarían. Además, el LOX subenfriado tiene una densidad más alta, cercana a la del queroseno, lo que reduce el volumen requerido del tanque y la masa total del vehículo de lanzamiento y permite que el motor use un solo eje giratorio para ambas turbobombas.

Entonces están cambiando la declaración, diciendo que el LOX debe subenfriarse para obtener la densidad correcta, no el queroseno.

Según Wikipedia (y corroborado por los diagramas de uhoh), el LOX a cualquier temperatura tiene una densidad mayor que el queroseno. Entonces, subenfriar el LOX aumenta la diferencia de densidad. Pero Spaceflight 101 puede tener un punto. El motor quema 2,8 kg de oxígeno con 1 kg de queroseno. Cuando hace que el LOX sea más denso, acerca los volúmenes de los dos, lo que podría facilitar el diseño de la bomba en un eje común.

Experimentos de aerojet

Veamos si podemos obtener una declaración de la fuente: este documento AIAA de Aerojet detalla las modificaciones realizadas por ellos. Menciona la densidad solo una vez (tabla 6 en la página 16), y esa misma tabla enumera la temperatura del combustible como -30 °F (-34 °C), por lo que no tendría la misma densidad que el LOX. De todos modos, este documento confirma que el queroseno no tiene que ser subenfriado para que el motor funcione.

Hicieron pruebas haciendo funcionar el motor con RP1 a temperatura ambiente y LOX de punto de ebullición, hasta donde puedo ver, hicieron quemaduras de hasta 140 segundos con esta combinación. No realizaron pruebas con RP-1 subenfriado por debajo de -37 °F (-38 °C). También mencionan que los rusos normalmente usaban queroseno a más de -30 °F (-34 °C).

De esto concluyo que es posible el subenfriamiento de LOX o del propulsor, pero no es necesario en este motor. Entonces, la pregunta "¿El motor NK-33 requiere queroseno subenfriado?" se puede responder con 'No'.

Otros motores

Las turbobombas de un solo eje son comunes en todo tipo de motores de cohetes.

• Motores de queroseno/LOX como el RD-0110 , que no utiliza subenfriamiento
• motores de hidrógeno/LOX como el RD-0120 , donde la densidad de LOX y LH están mucho más separadas que las densidades de LOX/RP-1.

No hay problema en hacer funcionar queroseno y oxígeno en el mismo eje de la turbobomba, a cualquier temperatura. siempre que ambos sean líquidos, las variaciones de densidad no son suficientes para marcar una diferencia práctica en la viabilidad de una turbobomba.

Del OP, las densidades de Oxígeno y Queroseno son de 1,18 y 0,8 g/cm3, una relación de 1,475. La presión producida por una bomba centrífuga de una sola etapa es proporcional a la velocidad del borde exterior del impulsor al cuadrado, multiplicada por la densidad. Por lo tanto, para lograr la misma presión con ambos propulsores en una turbobomba de un solo eje, se esperaría que el diámetro del impulsor de queroseno fuera sqrt (1,475) = 1,21 veces más grande que el impulsor de oxígeno. Esto es práctico de lograr. Tenga en cuenta que esto es solo una regla general, los diámetros reales del impulsor pueden variar ligeramente debido a una serie de consideraciones más detalladas.

Como se señaló en los comentarios sobre la respuesta de Russell Borogove , no es práctico hacer funcionar hidrógeno y oxígeno en el mismo eje de la turbobomba. El oxígeno es 16 veces más denso que el hidrógeno, por lo que para lograr la misma presión, el impulsor de oxígeno tendría que tener un cuarto del diámetro del impulsor de hidrógeno o, alternativamente, la bomba de oxígeno podría ser de una sola etapa y la bomba de hidrógeno de 16 etapas. Pero es más práctico hacer funcionar el impulsor de oxígeno más lento. Vea el video de la turbobomba en el motor de hidrógeno/oxígeno RL-10 que muestra la turbina en la parte inferior, la bomba de hidrógeno en la parte superior y la bomba de oxígeno con engranaje reducido a la izquierda.

Según los elementos de propulsión de cohetes de Sutton:

Si los dos propulsores tienen densidades similares (digamos dentro del 40 %), como NTO y UDMH o LOX y queroseno, y el volumen de flujo del oxidante y el combustible son similares, entonces se puede usar el mismo tipo de impulsor (funcionando a la misma velocidad). en ambos en un solo eje.

Continúa diciendo que con hidrógeno/LOX definitivamente quieres ejes separados. Parece haber una relación general entre la velocidad del impulsor y la densidad del propulsor donde la eficiencia es óptima; el hidrógeno se puede bombear en un impulsor axial de mayor velocidad, mientras que los propulsores más densos necesitan un impulsor radial o semirradial más lento. Descargo de responsabilidad: ¡No soy hidrodinámico!

Entonces, con una relación de masa de LOX: queroseno de 2.6, esto parece decir que, dentro de los límites, en realidad querrá que el queroseno sea menos denso para lograr un flujo de volumen más equitativo.

Primero, el único lugar en el que he podido encontrar la afirmación de densidad igual es en el artículo de Wikipedia sobre NK-33. (De hecho tiene su origen en la primera versión ). Nunca se ha proporcionado ninguna fuente para ello. Por otro lado, este artículo parece sugerir que así es, aunque indirectamente.

La polimerización no tiene por qué ser necesariamente un problema, ya que el RP-1 es por defecto bajo en azufre, alquenos y compuestos aromáticos. Los rusos también pueden haber usado una especificación más estricta. (El punto en el que los hidrocarburos se polimerizan depende en gran medida de la composición, y empujarlo más allá del rango "sobreenfriado" no debería ser un problema).

La afirmación de que el NK-33 necesitaba densidades similares para funcionar parece extraña, ya que no es el único motor de ciclo cerrado, solo uno entre muchos con una gran variedad de propulsores. Sin embargo, el artículo menciona un solo eje giratorio , por lo que el problema puede ser el resultado de la separación centrífuga de los líquidos.