Mejoras de combustible químico

Con los avances en ingeniería química, ¿podría la propulsión química tener un combustible (o combustibles) que le permitiera competir con formas de propulsión más nuevas y avanzadas (como la eléctrica o la nuclear) o es probable que los productos químicos que se utilizan ahora sean tan buenos como se va a poner?

Respuestas (2)

Es poco probable que se supere el impulso específico (es decir, la eficiencia de masa) de la propulsión eléctrica o nuclear con la propulsión química.

Los cohetes químicos prácticos alcanzan un máximo de alrededor de 460 segundos Isp , con propulsores exóticos, pero poco prácticos, que llegan a los 500 .

Se esperaba que los cohetes termonucleares (que usan el calor de una reacción de fisión controlada para acelerar el hidrógeno u otros propulsores) entregaran más de 800 segundos Isp. Tales motores fueron desarrollados ( NERVA , RD-0410 ) pero nunca volados.

Los propulsores eléctricos ( efecto Hall , ion , VASIMR , etc.) producen Isp en el rango de 2000-5000 segundos.

Compitiendo en empuje en lugar de impulso específico, por supuesto, las clasificaciones se invierten; los propulsores eléctricos tienen relaciones de empuje a masa extremadamente bajas y los propulsores químicos tienen relaciones muy altas, con NTR en el medio.

"Compitiendo en empuje en lugar de impulso específico, por supuesto, las clasificaciones se invierten; los propulsores eléctricos tienen relaciones de empuje a masa extremadamente bajas, y los propulsores químicos tienen proporciones muy altas, con NTR en el medio". No necesariamente (aunque es cierto para prácticamente todos los diseños actuales ); algunos diseños propuestos (como los cohetes nucleares de agua salada y algunos NTR con núcleo de gas ) logran combinar tanto un alto empuje como un alto impulso específico.
¿Se ha realizado suficiente análisis térmico para sugerir que los NSWR son realmente posibles sin derretir la boquilla? ¿Y alguien ha propuesto realmente un NTR con núcleo de gas que cuente como un empuje alto en lugar de un empuje moderado?

Honestamente, la eficiencia de los cohetes químicos que usamos hoy en día está casi al máximo para combinaciones prácticas de combustible. Además, lo más probable es que los motores de cohetes químicos nunca alcancen las métricas de eficiencia de los sistemas de propulsión eléctrica y nuclear (la conversión de energía propulsora es fundamentalmente diferente). Sin embargo, cuando se necesita una cantidad sustancial de empuje, la relación empuje/peso de los sistemas de propulsión química domina el campo de juego.

El proceso de combustión que se utiliza hoy en día en todos los cohetes/turbinas de gas se denomina deflagración, que es una liberación de calor relativamente lenta y un proceso de combustión a presión constante. Lo único que se puede hacer para elevar la yo s pag para los sistemas de propulsión química (y actualmente se está estudiando) es la detonación del combustible, que es un proceso de combustión con ganancia de presión. Los sistemas de propulsión basados ​​en detonación vienen en dos variedades (al menos a nivel de investigación y experimental). El primero se denomina motor de detonación pulsada (PDE), que ha recibido un gran tratamiento desde principios de los 90. El segundo es el motor de detonación rotatorio (RDE), que es muy activo en la investigación aeroespacial actual.

Aquí hay una gráfica de un estudio analítico (Morris, CI, “Numerical Modeling of Single-Pulse Gasdynamics and Performance of Pulse Detonation Rocket Engines,” Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 3, 2005, pp. 527- 538.) que detalla el rendimiento idealizado de un motor cohete de detonación por pulsos de ciclo único frente al motor cohete de estado estacionario convencional (SSRE) para combustible de oxígeno. Tenga en cuenta que la relación de presión de purga no llega al infinito (es decir, un vacío), por lo que no se informa la comparación con el rendimiento del nivel de vacío; sin embargo, el PDRE idealizado es más eficiente que el motor de cohete convencional en todo el rango operativo de relación de presión de purga. Ahora bien, todo esto es un rendimiento idealizado, y aprovechar la energía de la onda de detonación para aplicaciones de empuje es generalmente muy desafiante. Aquí están algunasintentos en el entorno de laboratorio a nivel académico. Estas pruebas a nivel académico son realizadas por estudiantes de doctorado, sin embargo, existen operaciones más sofisticadas que no son de código abierto en instalaciones como el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

ingrese la descripción de la imagen aquí

El RDE es un concepto más sofisticado para un motor basado en detonación. Su aplicación es más práctica que la PDE, debido a su operación sin pulsos. Aquí hay un esquema del funcionamiento del RDE.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

El RDE se está investigando activamente en muchas universidades y empresas de la industria (Aerojet/Rocketdyne y la corporación aeroespacial, por nombrar algunas). El objetivo principal a partir de ahora (económicamente convincente para la financiación) es integrar el PDE/RDE en los motores de turbina de gas de próxima generación. Sin embargo, la aplicación de cohetes sigue abierta de par en par dada la tecnología madura. Aquí hay algunos videos de pruebas de RDE en varias universidades:

1.) Universidad de Texas en Arlington
2.) Universidad Purdue
3.) Universidad de Cincinnati

Ese gráfico me parece que el extremo superior de los motores de detonación sería quizás otros 20 segundos de Isp, es decir, superando alrededor de ~ 480 segundos para un motor de hidrógeno con una relación de expansión muy alta, que no competiría con NTR o propulsión eléctrica.
Nunca afirmé que un motor basado en detonación competiría con los sistemas de propulsión eléctrica o nuclear con respecto a yo s pag . El OP preguntó si hay "mejoras" químicas que mejorarían el funcionamiento de los motores de cohetes químicos. En cuanto a la combustión química, se puede utilizar un combustible más energético o cambiar el modo de combustión. Propuse el caso de cambiar el modo de combustión de deflagración a detonación, que se está investigando activamente como temas de doctorado de investigación académica y dentro del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Sin embargo, las cámaras de combustión PDE parcialmente llenas son una opción interesante.
@RussellBorogove continuación concepto donde yo s pag se puede elevar a 3-5 veces la PDE completamente llena de la línea de base ( yo s pag ∼ 600 − 1 , 000 segundo). Aquí hay un estudio numérico ( arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.9514?journalCode=jpp ), sin embargo, también hay muchos estudios experimentales con resultados similares. El método de llenado parcial de combustible es muy útil para elevar la yo s pag de un PDE, pero sufrirá una pérdida en el impulso total alcanzable.
Mejoras de combustible químico
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v