¿Por qué los cohetes químicos tienen una forma extraña en este gráfico de empuje frente a Isp?

Considere este gráfico de empuje del motor versus impulso específico (de https://dawn.jpl.nasa.gov/mission/ion_prop.html ):

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La mayoría de las tecnologías de propulsión abarcan regiones aproximadamente rectangulares en el gráfico. La propulsión eléctrica es la unión de dos regiones rectangulares (ion y magnética). Sin embargo, la propulsión química tiene una forma irregular.

¿Por qué la propulsión química tiene esta forma irregular?

El Isp alcanzable es más pequeño para los motores químicos de bajo empuje que para los más grandes. Se utilizan diferentes combinaciones de combustible/oxidante para motores de empuje pequeños, medianos y grandes. Pero me gustaría ver este gráfico extendido a MN (meganewtons). El motor F-1 de Saturno V tenía alrededor de 7 MN, el motor J-2 de segunda y tercera etapa 1 MN.
Especulación: los motores pequeños tienen pérdidas térmicas relativamente más altas que los grandes.
@Uwe, más o menos se extendería más a la derecha. Bajo 300 (sólido) a medio 400 (hidralox) sigue siendo el rango de rendimiento para motores químicos realmente grandes.
ISP es una medida de la energía cinética promedio de los productos de escape. Todo esto le dice que para los motores químicos de bajo empuje es difícil producir velocidades de escape muy altas. Solo cuando los motores superan cierto tamaño pueden adaptarse a la infraestructura necesaria para producir las velocidades de escape de productos químicos más altas. Para que los motores más pequeños alcancen un ISP tan alto, sería necesario agregar demasiado peso a los diseños, consumiendo cualquier delta-V que podría agregar el ISP más alto, por lo que simplemente no se fabrican.
Especulo que la forma es extraña porque el gráfico es logarítmico. En una escala no logarítmica, probablemente sea solo una parábola diagonal.

Respuestas (3)

Supongo que la envoltura química del cohete en la trama abarca puntos que representan motores de cohetes realmente construidos, en lugar de teóricos, por lo tanto, parte de la irregularidad de la forma se debe a un accidente histórico.

10N es bastante pequeño para un motor de cohete químico. Estas unidades se utilizan principalmente para el control de actitud de naves espaciales pequeñas en lugar de realizar maniobras significativas, por lo que la confiabilidad, la simplicidad y el peso ligero son más críticos que el impulso específico. No estoy seguro de si no es realmente posible hacer pequeños propulsores de Isp alto, o si es solo que nadie se molesta.

En particular, observo que el catálogo de propulsores bipropulsores (MMH+NTO) de Aerojet (que obtienen alrededor de 300 segundos Isp) se extiende hasta 22N; por debajo de eso, ofrecen propulsores monohélice de hidracina catalizada (alrededor de 220 segundos) hasta 1N; la simplicidad de ingeniería de requerir solo un solo tanque de propulsor compensa la pérdida de impulso específico (y probablemente sea complicado lograr una buena mezcla de bipropulsor en una cámara de combustión tan pequeña). Estas dos categorías de propulsores contribuyen a los dos tercios izquierdos de la envolvente del motor químico en la trama.

Más arriba y a la derecha, pequeños motores de hidrógeno-oxígeno marcan el extremo superior de la envolvente Isp: el YF-73 chino a 44 kN y 420 segundos, luego un grupo de motores en las cercanías del RL10 de EE . UU .: 65-100 kN y 440-460 segundos. Esa es la marca de impulso específica de agua alta para motores químicos de producción, el motor principal del transbordador espacial RS-25 está fuera del lado derecho del gráfico a 2200 kN y 452 segundos. Nuevamente, no estoy seguro de si es posible hacer motores de hidrógeno-oxígeno de alta Isp más pequeños que ~ 40kN o si simplemente no se hace.

Sería realmente interesante saber si son posibles pequeños motores de alta Isp, con técnicas modernas de impresión 3D y demás. Vería un interés considerable por tales motores en un futuro próximo.

El documento histórico de la NASA "MANUAL ESPACIAL: ASTRONÁUTICA Y SUS APLICACIONES" tiene una tabla útil, que reproduciré parcialmente aquí:

TABLA 1.-Impulso específico de algunos propelentes químicos típicos

Monopropelentes de baja energía________________________ 160 a 190.

Monopropulsores de alta energía: Nitrometano_______________________________ 190 a 230

Bipropelentes (líquidos): Bipropelentes de baja energía________________________ 200 a 230.

Bipropelentes de media energía________________________ 230 a 260.

Bipropelentes de alta energía________________________ 250 a 270.

Bipropelentes de muy alta energía_______________________ 270 a 330.

Bipropelentes de súper alta energía_______________________ 300 a 385.

Componentes de metal de boro y oxidante ____________________ 200 a 250.

Componentes de metal litio y oxidante___________________ 200 a 250.

Me parece muy probable que la categoría "Químico" abarque varios combustibles diferentes, y probablemente tanto combustibles sólidos como líquidos, por lo que no tiene una forma uniforme.

Alguien más experto podría adivinar qué combustibles específicos componen las distintas áreas.

Esa tabla está extremadamente fechada (¿alrededor de 1958, tal vez?): el hidrógeno/oxígeno ni siquiera está en la lista, pero el RL10 estaba volando un impulso específico de más de 425 segundos con hidrógeno/oxígeno en 1962.

La forma "Química" existe debido a dos regímenes claros. Esto es un poco por casualidad debido a los propulsores involucrados, pero básicamente es esto:

  • los motores de la izquierda son alimentados a presión o sólidos
  • Los motores de la derecha son varios tipos de bomba alimentada (ciclo de expansión/generador de gas/combustión por etapas/eléctrico)

Aparte, el diagrama no aclara realmente toda la gama de posibilidades para el monopropulsor de hidracina aumentado eléctricamente, por ejemplo, propulsor de hidracina catalítico de potencia aumentada (Isp = 250 - 280) - chorro de hidracina (Isp 550 - 600)

¿No están los chorros de arco cubiertos por "electrotermia" en la trama?
Podrían serlo, de hecho encontré esa burbuja en particular en la trama difícil de entender. N2H4 se descompone, creo, en H2, N2 y NH3, la presencia de la mayoría de ellos en la burbuja me hizo preguntarme qué significaban las etiquetas.
Lo leí como "propulsores electrotérmicos que usan hidrógeno, hidracina o amoníaco como masa de reacción".
También es algo extraño ver que la "antimateria" aparentemente intenta ser una versión costosa y peligrosa del cohete térmico nuclear de núcleo sólido.
¿Por qué los cohetes químicos tienen una forma extraña en este gráfico de empuje frente a Isp?
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