¿Por qué usar queroseno?

El lado del hidrógeno de esta pregunta se ha abordado aquí: combinación de hidrógeno líquido y oxígeno líquido : la respuesta corta es que una primera etapa de hidrógeno sería más liviana, cargada, pero mucho más costosa.

Los cohetes modernos que queman "queroseno" como el Falcon 9 usan RP-1 (o RG-1 en motores rusos); esta es una forma refinada de queroseno que contiene una mezcla relativamente estrecha de hidrocarburos en lugar del espectro más amplio que se encuentra en el queroseno común. El RP-1 se utiliza a menudo como refrigerante y como propulsor, y se canaliza a lo largo de las paredes de la cámara de combustión antes de entrar en ella. Los diferentes puntos de ebullición y las características de polimerización de los diferentes hidrocarburos causan problemas:

Muchos de los primeros cohetes quemaban queroseno, pero a medida que crecían los tiempos de combustión, la eficiencia de la combustión y las presiones de la cámara de combustión, y las masas del motor se reducían, las temperaturas del motor se volvían inmanejables. El queroseno crudo utilizado como refrigerante se disociaría y polimerizaría. Los productos ligeros en forma de burbujas de gas y los pesados ​​en forma de depósitos del motor bloquearon los estrechos conductos de refrigeración. La falta de refrigerante elevó aún más las temperaturas, acelerando la descomposición. Este ciclo aumentaría rápidamente (es decir, se produciría una fuga térmica) hasta que se rompiera una pared del motor.

El combustible diesel común es aún más propenso a la polimerización y la ruptura térmica, por lo que se aplican las mismas presiones que impulsaron el refinamiento del queroseno en RP-1. Para SpaceX en particular, que tiene la intención de reutilizar sus motores de cohetes, minimizar los residuos en las tuberías es un factor importante, y esta es una de las razones por las que se están pasando al metano como combustible en su próxima generación de motores.

Según Wikipedia, el combustible diésel supera al queroseno en densidad energética en términos de masa en 2,8 MJ/Kg y en volumen en 5,6 MJ/L, entonces, ¿por qué usarían queroseno en su lugar?

En primer lugar, eso es wikipedia para usted, usando números sin referencia que, de hecho, son incorrectos. La página conflictiva de wikipedia sobre el calor de combustión establece valores caloríficos inferiores de 43,0 y 43,4 MJ/kg para queroseno y diésel, respectivamente. Las páginas de wikipedia en conflicto sobre el queroseno y el combustible diésel indican valores caloríficos inferiores (o netos) de 43,1 MJ/kg tanto para el queroseno como para el diésel.

Aparte: Los valores caloríficos inferior y superior de una sustancia reflejan si el agua producida por la combustión sale del sistema en forma gaseosa o líquida. A medida que el agua sale de un cohete en estado gaseoso con motores de cohetes químicos, son los valores de calentamiento más bajos (o netos) los que son relevantes para los motores de cohetes.

Factores que argumentan en contra del uso de combustible diesel:

• Esos valores caloríficos no tienen en cuenta la masa del oxígeno.
  Esto está bien para la combustión en la superficie de la Tierra, pero es completamente incorrecto con respecto a los cohetes porque los cohetes tienen que transportar tanto el combustible como el comburente. Las cadenas largas de hidrocarburos requieren más oxígeno por unidad de masa que las cadenas cortas de hidrocarburos saturados.

• Observar los valores caloríficos por sí solo no explica cómo funcionan los motores de cohetes.
  El empuje producido por un cohete es proporcional a$\sqrt{Q/M}$, dónde$Q$es el poder calorífico neto y$M$es la masa molecular media de los gases de escape. El vapor de agua en los cohetes es muy preferible en comparación con el dióxido de carbono porque el vapor de agua tiene una masa molecular de aproximadamente 18, mientras que el dióxido de carbono tiene una masa molecular de aproximadamente 44. Esta es la razón principal por la que los motores de cohetes LH2-LOX se ven tan bien en el papel. Esto también es un argumento en contra de los hidrocarburos de cadena larga.

• Los depósitos de carbono presentan un peligro para los motores de cohetes.
  Cuanto más larga sea la cadena de hidrocarburos, mayor será el riesgo de depósitos de carbono.

La ligera ventaja (si la hay) del combustible diesel sobre el queroseno en función del poder calorífico se convierte en una desventaja después de tener en cuenta esos otros factores.