Estequiometría del motor Merlín

La operación rica en combustible es común en los motores de hidrocarburos y mejora el impulso específico, aunque existe cierta confusión sobre el mecanismo por el cual ocurre.

Según los elementos de propulsión de cohetes de Sutton & Biblarz :

Los sistemas de propulsión de cohetes normalmente no funcionan con la proporción de su comburente y combustible en la relación de mezcla estequiométrica. En cambio, generalmente funcionan con combustible rico porque esto permite que las moléculas livianas como el hidrógeno permanezcan sin reaccionar; esto reduce la masa molecular promedio de los productos de reacción, lo que a su vez aumenta el impulso específico.

Henry Spencer , sin embargo, dice:

En un cohete químico, donde la masa de reacción y la fuente de energía son la misma, tratar de reducir el peso molecular agregando un exceso de un propulsor también reduce la temperatura de la llama, y ​​si realmente hace los cálculos , siempre es una pérdida neta. .

Entonces, ¿por qué funcionan ricos en combustible? Bueno, en parte hay algunas suposiciones simplificadoras en esas matemáticas que no son estrictamente correctas. Sin embargo, lo más importante es que los libros de texto analizan la parte equivocada de la ecuación. Se saltan la eficiencia de la boquilla, que no es independiente de la composición del gas. En particular, la subexpresión (gamma-1)/gamma, [(k-1)/k en Sutton; la " relación de calores específicos "] que aparece como un exponente en la eficiencia de la tobera, es una fuerte función de la composición del gas y, en una primera aproximación, es inversamente proporcional al número de átomos por molécula. Entonces, un exceso de combustible, lo que significa que parte del combustible termina como CO o H ₂ en lugar de CO ₂ y H₂ O, puede marcar una gran diferencia en la eficiencia de la boquilla, y eso puede compensar con creces la reducción de la liberación de energía.

En moléculas complejas, aparentemente, una gran cantidad de energía térmica puede estar ligada a la flexión de los enlaces interatómicos (como se discute en otro hilo de yarchive) , lo que no contribuye al impulso del escape que escapa, lo que determina el empuje.

¡Aquí está el encendido de Clark ! (él utiliza$\frac {R} {C_p}$en lugar de Spencer$\frac {\gamma - 1} {\gamma})$:

Si consideramos productos de escape específicos, esto es lo que encontramos: el N ₂ y el C sólido son prácticamente inútiles como productores de energía. HCl, H ₂ y CO son aceptables. El CO ₂ es bueno, mientras que el B ₂ O ₃ , el HBO ₂ , el OBF, el BF ₃ , el H ₂ O y el HF, así como el B ₂ O ₃ y el Al ₂ O ₃ sólidos , son excelentes. Cuando consideramos el término R/Cp, el orden es bastante diferente. Los gases diatómicos, con un R/Cp superior a 0,2, son excelentes. Incluyen HF, H ₂ , CO, HCl y N ₂. (Por supuesto, un gas monoatómico tiene una R/Cp de 0,4, pero encontrar una reacción química que produzca grandes cantidades de helio caliente está fuera del alcance de la política práctica). Los gases triatómicos, H ₂ O, OBF y CO ₂ , con un R/Cp entre 0,12 y 0,15 son regulares. Los tetratómicos HBO ₂ y BF ₃ , alrededor de 0,1, son pobres, y B ₂ O ₃ -- bueno, tal vez debería pasarse por alto en silencio. En cuanto a los sólidos, C, Al ₂ O ₃ y B ₂ O ₃ , su R/Cp es precisamente cero, como lo sería la eficiencia térmica si alguna vez fueran los únicos productos de escape.

Tenga en cuenta el enfoque en el número de átomos en los productos de escape.

Los motores de hidrógeno y oxígeno hacen lo mismo; Aquí está Spencer de nuevo:

Sí, los SSME funcionan con mucho combustible; todos los motores de hidrógeno funcionan con mucho combustible, porque eso mejora considerablemente el rendimiento. Tener una buena cantidad de hidrógeno sin reaccionar en el escape resulta ser bueno para el rendimiento de varias maneras, y el hidrógeno es tan liviano que la penalización de masa por esto es pequeña. Idealmente, los motores de hidrógeno funcionarían a aproximadamente 4:1, con la mitad del hidrógeno sin quemar; en la práctica, debido a que el hidrógeno es tan voluminoso, las consideraciones de la masa del tanque generalmente obligan a la gente del motor a comprometerse con aproximadamente 6:1.

Además de poner moléculas más simples y livianas en el escape, el funcionamiento rico en combustible también mantiene baja la temperatura de combustión, lo que hace que sea más práctico enfriar la cámara y la boquilla. Se prefiere la operación rica en combustible a la rica en oxidante para el enfriamiento porque el escape rico en oxidante caliente tiende a atacar el metal de la cámara de combustión y la boquilla, lo que conduce rápidamente a una "combustión rica en motor": quemado destructivo de partes del motor. motor.