Hace poco leí sobre la etapa superior ACES (Etapa evolucionada criogénica avanzada) de ULA con IVF (Fluidos de vehículos integrados), que por loco que parezca, tiene dos motores de seis cilindros desarrollados por Roush que usan el H 2 y el O 2 hervidos como combustible. Estos motores proporcionan fluido presurizado para los propulsores y los tanques de combustible, y generan energía eléctrica, desplazando las baterías.
https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Cryogenic_Evolved_Stage
Supuestamente, esto permite que la etapa superior permanezca encendida durante un período de tiempo mucho más largo (que normalmente agotaría las baterías).
Esta idea me parece bastante genial pero suena loca (ahí arriba con ULA atrapando motores para reutilizarlos con un helicóptero, pero ese es otro tema). Una pila de celdas de combustible parece ajustarse mejor a estos requisitos y se ha utilizado en aplicaciones espaciales durante mucho tiempo. ¿Cuáles son los beneficios de usar un motor de combustión interna sobre una celda de combustible? Sé que ULA ha estado trabajando en la FIV desde hace algún tiempo. ¿Han quedado obsoletos los avances en la tecnología de las baterías?
¡Qué fantástica pregunta! Aprendí mucho investigando este.
El uso de un motor simple de pistón en cilindro en un escenario espacial de ultra alto rendimiento parece estar fuera de lugar en un panorama tecnológico dominado por turbomáquinas de alta velocidad, celdas de combustible y paneles solares.
¿No nos mudamos a la era del jet? ¿Cómo podría ser esta una buena solución? Al principio, nosotros también sentimos que habíamos entrado en una zona desconocida tecnológica. La clave para entender es que la tarea de alta carga de trabajo para el sistema no es producir electricidad o hacer girar un eje para accionar una bomba hidráulica. La presurización del tanque es la actividad dominante y exige la entrega de entalpía a los espacios vacíos del tanque principal, cualquiera que sea la fuente. El motor IVF es superior a otros sistemas de temperatura más baja en que su calor residual es de alta calidad y es suficiente para convertir los líquidos criogénicos en vapor.La mitad de la ineficiencia de un motor térmico se pone a trabajar directamente empujando la entalpía hacia un fluido de trabajo para la presurización y el resto se usa para producir la pequeña cantidad de empuje necesaria para asentar los propulsores.
Se podría usar una turbina para tal aplicación, pero sería exquisitamente pequeña con velocidades de rotación extremadamente altas para producir solo 20kW con hidrógeno de baja densidad como fluido de trabajo. Se pudieron tomar medidas para la extracción de calor y potencia del eje, pero la complejidad general del desarrollo de refrigeración, lubricación, encendido, control y toma de fuerza a este nivel de potencia tan bajo parecía abrumadora en comparación con el motor de combustión interna. El uso de turbinas tan pequeñas en instalaciones terrestres es prácticamente desconocido. Se tendría que desarrollar virtualmente una tecnología completamente nueva a un costo y riesgo sustanciales.
De manera similar, una celda de combustible podría usarse para impulsar la FIV con la ventaja de no tener maquinaria de alta velocidad y una extensa historia de vuelos espaciales. Las células de membrana de intercambio de protones (PEM) han demostrado ser muy prometedoras en los últimos años. Sin embargo, 20kW es una celda de combustible relativamente grande para aplicaciones de vuelo y debido a que toda la potencia se produce como electricidad (en comparación con quizás el 10% para el motor IC), debe convertirse a través de motores en potencia de eje con sus correspondientes sistemas de conmutación y pérdidas. Esto hace crecer la celda de combustible para abordar las eficiencias de conversión. Los reactivos solo se consumen en una relación de mezcla de 8, que generalmente es insuficiente para el enfriamiento regenerativo, por lo que, a menos que se emplee un sistema de radiador voluminoso y costoso, se debe llevar un flujo mayor de hidrógeno a la celda de combustible para mantener la estasis térmica.Desde el punto de vista de los consumibles, la celda de combustible pierde su ventaja sobre el motor IC. La eficiencia de la celda PEM se basa en la baja temperatura de operación que produce agua líquida condensada que debe eliminarse sin proporcionar ningún beneficio para la sedimentación del vehículo. En general, el uso de un sistema de pila de combustible sería más ventajoso para los vehículos tripulados donde el agua producida tiene una fuerte influencia positiva en la masa del vehículo. Para las etapas propulsoras criogénicas, la diferencia de costo entre los motores IC y las celdas de combustible probablemente favorezca a los primeros.
United Launch Alliance, Estado de desarrollo de un sistema integrado de propulsión y energía para vuelos espaciales criogénicos de larga duración . Énfasis mío.
En resumen: las pilas de combustible son demasiado caras y no producen suficiente calor.
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