¿Por qué se usa hidracina para alimentar la EPU del F-16?

Para llenar los vacíos en la respuesta de aeroalias:

La hidracina es un monopropulsor , algo que no necesita mezclarse y quemarse para liberar la energía contenida en sus enlaces químicos. Esta energía se libera dejando fluir la hidracina sobre un catalizador , en el caso de la EPU del F-16, que es de iridio . Esto rompe el enlace químico, produciendo amoníaco, gas nitrógeno, gas hidrógeno y calor que convierte el agua en vapor. El calentamiento aumenta el volumen de los gases y el vapor para que adquieran velocidad, al igual que los gases en la cámara de combustión de un motor a reacción.. En la cámara del catalizador de la EPU del F-16, la temperatura alcanza más de 800°C en solo un par de milisegundos, ¡y no hay combustión! Este gas de alta presión y alta velocidad fluye a través de una pequeña turbina que, a su vez, impulsa un generador y suministra presión hidráulica.

No se necesita compresión porque la presión se suministra desde la botella que contiene la mezcla de hidracina y agua. El uso de un monopropulsor también evita cualquier problema de encendido y hace que la configuración sea muy simple. Dado que la hidracina es bastante estable a alta presión y temperatura ambiente, la vida útil de un motor de hidracina es alta y el estado líquido de la mezcla de agua e hidracina hace que su almacenamiento sea muy compacto. Justo lo que necesitas en un avión de combate.

La EPU del F-16 se alimenta con una mezcla de hidracina monopropelente, H-70, que contiene un 70 % de hidracina ($N_{2}H_{4}$) y 30% de agua, en peso.

Los requisitos principales para la EPU son que debe ser simple, libre de mantenimiento, suministrar energía de manera inmediata y constante durante el tiempo requerido. El uso de hidracina asegura esto y requiere un manejo cuidadoso.

Básicamente, la descomposición catalítica de la hidracina produce amoníaco, nitrógeno e hidrógeno. Los gases de escape de la turbina EPU contienen 40 % de amoníaco, 17 % de nitrógeno, 15 % de hidrógeno y 28 % de agua.

$3N_{2}H_{4} \rightarrow 4NH_{3} + N_{2}$

$4NH_{3} \rightarrow 2N_{2} + 6H_{2}$

$3N_{2}H_{4} \rightarrow 4(1-x)NH_{3} + 6xH_{2} + (2x+1) N_{2}$

donde x es la fracción de la$NH_{3}$disociado.

El agua modifica la temperatura de descomposición (la EPU alcanza temperaturas de ~870$^{\circ}C$), evitando daños térmicos en el lecho del catalizador y las piezas de la turbina. A medida que el agua elimina el calor, se convierte en vapor que ayuda a alimentar la EPU.

La EPU, que utiliza hidracina, gira hasta aproximadamente 75 000 rpm en 2 o 3 segundos (la EPU del F-16 arranca en 2 segundos). Tomaría mucho más tiempo si se usara otro combustible, como JP-8. Cuando es necesario (la EPU funciona normalmente con el aire de purga del motor), la hidracina se introduce en la cámara de descomposición mediante presión de nitrógeno , donde las reacciones anteriores producen los gases para hacer funcionar la turbina/caja de cambios. La descomposición de la hidracina produce suficiente presión, eliminando la necesidad de un compresor, ahorrando así peso y también eliminando la necesidad de un encendedor, reduciendo la complejidad.

Para el peso dado, proporciona un funcionamiento continuo durante el tiempo requerido. En el F-16, la EPU transporta ~25 l de hidracina, lo que permite operar durante unos 10 minutos en condiciones normales de carga y 15 minutos si las cargas son menores (es decir, en tierra). Si se usara cualquier otra forma (como batería o cartucho), sería difícil tener un tiempo operativo prolongado sin un gran aumento de masa.

Para un avión de combate, RAT no es una opción. Además, una EPU alimentada con hidracina funcionaría en cualquier altitud o durante las maniobras, ya que no necesita un suministro externo de oxidante.

Referencias:

Composición de los gases de escape de la unidad de energía de emergencia F-16 por Harry J. Suggs et al.

Orden técnica 00-105E-9, USAF

AFR 110-14 Informe de investigación de accidentes de aeronaves de la USAF.

F-16 manual

Gracias a @Peter por señalar errores.

El uso de hidracina está relacionado con la estabilidad de la aeronave. Sin energía para las computadoras, la actitud de vuelo preferida del F-16 es volar de cola. El diseño básico del avión es aerodinámicamente inestable, intencionalmente, para lograr un alto rendimiento. Las computadoras de control de vuelo mantienen la estabilidad.

Si se corta la energía eléctrica, el piloto de repente necesita botas de vadeo. Para evitar circunstancias tan desafortunadas, se especificó que la APU estuviera en línea a plena potencia 0,25 segundos después de un corte de energía.

Aparentemente, a finales de los 60 y principios de los 70 (años de diseño), nada más podía cumplir con los requisitos de arranque rápido, peso y resistencia de potencia.