¿Por qué los motores CH4CH4\text{CH}_4 (Raptor) producen menos hollín que los motores RP-1 (Merlin)?

El motor Merlin de SpaceX , que quema RP-1 y LOX, tiene hollín visible después de que aterriza la primera etapa. Muchos artículos en la web dicen que el motor Raptor de SpaceX , que quema metano y LOX, está limpio. La restauración es más fácil ya que no produce hollín.

La fórmula general para la combustión completa de hidrocarburos es:

Combustible de hidrocarburo + oxidante → CO 2 + H 2 O

¿Por qué los motores CH 4 ( Raptor ) producen menos hollín que los motores RP-1 ( Merlin )?

Creo que es porque Merlin funciona con mucho combustible, por lo que no todo el RP-1 se quema completamente con el LOX durante la combustión, tiene una relación de mezcla de 2.34, en comparación con la relación estequiométrica de 2.58-2.77, mientras que la relación de mezcla del Raptor es 3,6, en comparación con la relación estequiométrica de 4,0. Otra idea podría ser que el escape del generador de gas extremadamente rico en combustible se bombee directamente por la borda para que el hollín y el combustible sin quemar se acumulen en el motor.
@fasterthanlight está de acuerdo con el escape GG, venía aquí para mencionar eso.
@fasterthanlight Me había olvidado por completo de la relación de mezcla, gracias por recordárnoslo.
El mundo sería un lugar mucho, mucho más simple si los hidrocarburos siempre se quemaran en solo CO2 y H2O
@fraxinus Mucha gente votaría por C + H2O como productos de combustión: mucho más fáciles de capturar y secuestrar.

Respuestas (3)

Como señala GandalfDDI, usted siempre hace funcionar su motor rico en combustible para que no comience a funcionar rico en motor. Esto da como resultado una combustión incompleta del combustible.

El metano es un solo átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. Si se quema con oxígeno insuficiente, se obtienen radicales hidroxilo y monóxido de carbono. Estos finalmente reaccionan con el oxígeno atmosférico para producir dióxido de carbono y vapor de agua.

RP-1 es una mezcla de hidrocarburos de cadena larga, donde una cadena de átomos de carbono está rodeada por átomos de hidrógeno. Quemado con oxígeno insuficiente, produce los mismos radicales hidroxilo y monóxido de carbono que el metano, pero también produce fragmentos de cadena de carbono puro. Estos se adhieren entre sí y al cohete para producir las marcas de hollín que se ven en los propulsores Falcon 9 reutilizados.

Pero el metano CH4 se quema sin hollín y el acetileno C2H2 puede quemarse con hollín. Es por eso que el acetileno puede usarse para iluminación y el metano no.
@Uwe: RP-1 tiene ~ 12 carbonos, por lo que la combustión incompleta de una sola molécula da un buen núcleo de hollín que puede eliminar otras partes no quemadas y acumularse con solo unas pocas colisiones intermoleculares en algo bastante grande.
Existe una operación rica en oxígeno en el RD-180/181, que tiene herencia de la familia de motores Kuznetsov.
@Puffin, el RD-180 tiene un prequemador rico en oxígeno, pero por lo que sé, la cámara de combustión/boquilla es rica en combustible.
Uno puede forzar la quema de hollín del metano incluso en una estufa de cocina. Simplemente es mucho más difícil que para los hidrocarburos de cadena más larga (gasolina, diésel, queroseno, RP1) que, en general, prefieren producir hollín.
Además de funcionar rico en combustible durante el funcionamiento normal, también desea apagar los motores sin provocar incendios/explosiones. A medida que las bombas del turbo giran, la mezcla de combustible/oxidante estará mal controlada. Tiene sentido errar por el lado de detener el oxidante un poco más rápido que el combustible: un fuego rico en combustible debido al propulsor residual puede suprimirse con gas CO2 / N2 / Argón, privando al fuego de oxígeno. Y el fuego rico en oxidantes es más difícil de suprimir.
@Mark Corríjame si me equivoco, aunque entiendo que la relación de mezcla de 2.7 significa que el refuerzo literalmente transporta mucho más Lox que el queroseno y que cualquier exceso de oxidante por encima de la estequiométrica tiene que pasar por la cámara, ya que es un diseño de combustión por etapas. que un generador de gas. (lo que realmente es estequiométrico es otra cuestión, no me queda claro para esta combinación de propulsor)
@Puffin 2.7 es una mezcla rica en combustible típica para motores de cohetes de queroseno/LOX. Estequiométrica es alrededor de 3,4-3,5.
Error tipográfico: creo que el "rico en motor" en la primera línea de la respuesta tenía la intención de ser "rico en oxígeno".
@Pere Demasiado oxidante y comenzarás a quemar tu motor.
¿Los motores que están hechos de material cerámico son ricos en oxígeno?

Como me explicó (cuidadosa y completamente) un ingeniero de Rocketdyne, SIEMPRE haces funcionar motores de cohetes ricos en combustible. Si usa una mezcla pobre, el oxidante mira las partes metálicas del motor (recuerde que los motores generalmente funcionan MUY calientes) y dice "Oh... Mire, metal. Una fuente de combustible" y comienzan a suceder cosas malas. Lo mismo con otras partes que pueden entrar en contacto directo con el oxidante, más combustible.

El RP-1 es básicamente un derivado del petróleo muy cercano al queroseno, por lo que, al ser rico en combustible, la salida no quemada de la llama se quema parcialmente / no completamente y el oxígeno en la atmósfera quema la salida rica en combustible, en la línea del humo del diesel que es carbono no quemado de un motor diesel: https://en.wikipedia.org/wiki/RP-1

"... Otra fuente de combustible". Bueno para una risita
No ha abordado por qué RP-1 produce más hollín.
Todavía no creo que eso realmente llegue al punto. ¿Ese ingeniero de Rocketdyne también estaba al tanto del NK-33 / RD-180, etc., que usa RP1 / LOX de combustión de etapa rica en oxígeno?
@GandalfDDI: es posible que desee editar su respuesta para incluir su comentario anterior que responde directamente a la pregunta, cuando se combina con lo que publicó.
No es "Otra fuente de combustible". Es simplemente "Otro combustible" en su lugar. En al menos una serie de aterrizajes fallidos de Starship o probablemente F9, se pueden ver llamas verdes, un buen indicio de la quema de aleación de cobre.
@ Puffin RD-180 según wikipedia, solo el prequemador es rico en oxidantes.
@Ashvin, vea mi respuesta sobre el mismo tema en el hilo de comentarios de la respuesta de Mark.
Otra razón importante para hacer funcionar motores ricos en combustible es que la combustión incompleta produce moléculas más pequeñas (CO en lugar de CO₂, algo de H2 queda sin quemar), lo que produce más empuje en comparación con moléculas más grandes, por lo que el combustible rico es simplemente más eficiente. Raptor y algunos motores de combustión por etapas rusos funcionan con prequemadores ricos en oxígeno, por lo que el problema de la quema de metales es solucionable, al menos para los prequemadores.
Musk afirmó en una entrevista con Everyday Astronaut que los Raptors en realidad son ricos en oxígeno, porque LOX es significativamente menos costoso que LCH4. Estaba muy obviamente exhausto durante esa entrevista, así que me gustaría una confirmación por escrito para estar seguro. También dijo IIRC que la diferencia en el costo del propulsor valió la pena el pequeño golpe al Isp de funcionar rico en oxígeno en lugar de rico en combustible (pero estoy menos seguro de mi memoria aquí; podría haber estado hablando del golpe del Isp de una garganta ligeramente más ancha).
Hay motores que funcionan con oxidante rico. Los estadounidenses no podían creer lo que veían cuando vieron por primera vez los motores rusos que hacen exactamente eso.

CH₄ contiene relativamente mucho más H que C 12 H 26 (una molécula típica de RP-1). En CH₄ la relación atómica de C:H es 1:4, mientras que en C 12 H 26 está cerca de 1:2. Entonces, solo hay más C para dar vueltas y formar hollín en los motores RP-1.

Otra razón son las probabilidades de reacción. El hollín son grupos de átomos de carbono pegados. Si todos los átomos de carbono comienzan separados, como en CH₄ donde cada molécula contiene solo un C, la posibilidad de que muchos átomos de C se unan sin quemarse es mucho menor que cuando comienza con un C 12 H 26 molécula con 12 átomos de C, así que espero que termines con partículas de hollín más pequeñas.

¿Por qué los motores CH4CH4\text{CH}_4 (Raptor) producen menos hollín que los motores RP-1 (Merlin)?
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