¿Qué limita la velocidad de combustión del propelente sólido?

Los SRB y los misiles usan grano para regular el empuje con el tiempo, ya que solo se quema la superficie expuesta del propulsor.

Pero, ¿qué hace que el propulsor se queme solo en la superficie y regula la velocidad a la que se quema la superficie? Seguramente no el suministro de oxígeno atmosférico (que es lo que causa una propiedad similar de los sólidos de combustión libre) ya que tiene oxidante distribuido por todo el volumen; no hay una razón aparentemente clara por la que el combustible sólido no pueda quemarse todo a la vez en todo el volumen; algo lo diferencia de los explosivos comunes que son efectivamente solo eso, una especie de mezcla de combustible y oxidante que se quema todo a la vez en todo el volumen, en un espacio cerrado, liberando todos los productos de combustión a la vez.

Entonces, ¿qué aditivos químicos o propiedades diferencian a los propulsores sólidos de los explosivos?

¿Algo como esto? Sin embargo, la diferencia entre deflagración y explosión creo que la respuesta dependerá del propulsor y el explosivo exactos que se comparen. (Algunos desarrollan una gran cantidad de gas que causa la explosión real).
Más o menos esto; en la mayoría de los casos, la deflagración está limitada por la accesibilidad del oxígeno y la mayoría de los oxidantes liberan oxígeno al calentarse. En nuestro caso, tenemos el frente de combustión propagándose a escasos milímetros por segundo, mientras que las temperaturas superan la descomposición del oxidante y la combustión del combustible en muchos órdenes de magnitud, lo que sugiere que la combustión debería proceder mucho más rápido. Además, ¿qué tiene de especial la superficie del propulsor que puede contener la combustión, no permitiéndola hacia adentro?
En una nota diferente: vi un video instructivo sobre la construcción de un motor de cohete amateur; el motor tiene un segmento corto de "retraso" que se quema a un ritmo mucho más lento que el propulsor principal, lo que lleva al encendido a una pequeña carga de pólvora que expulsa el paracaídas. El "retraso" era el mismo propulsor, pero con una pequeña cantidad de bicarbonato de sodio agregado; quemaría mucho, mucho más lento como resultado. Pero el efecto no fue explicado.
Suena como agregar materiales inertes a los combustibles sólidos para cambiar la velocidad de combustión. Por cierto, incluso el polvo de natillas explota violentamente en las condiciones adecuadas: advertencia de seguridad para cualquier ingeniero, ha sucedido ... Por cierto, creo que el intercambio de pilas de Química podría ser un buen lugar para preguntar si no surge una buena respuesta. aquí.
@Andy: En ese caso, la reducción en la tasa de quemado fue totalmente desproporcionada con respecto a la adición de refrescos. Creo que era algo así como un 2% de soda, para una desaceleración de algo que se encuentra en un fusible de combustión lenta, por lo que definitivamente no fue una mera dilución. (a menos que fuera la dilución de oxígeno por dióxido de carbono de la soda, ¿quizás?)
@SF: Sospecho que la desaceleración también se debe a que la soda absorbe calor cuando se descompone.

Respuestas (5)

Si tenemos un frente de choque de presión que viaja muy rápido a través del material, es una explosión. La reacción dentro del explosivo se inicia por el aumento repentino de la presión, no por un aumento de la temperatura. Pero cuando se quema el combustible sólido para cohetes, tenemos una presión casi constante dentro del cohete y ningún frente de choque viajero. La conductividad térmica del combustible es mucho más lenta, la reacción en un nivel más profundo del propelente solo comienza cuando la temperatura es lo suficientemente alta allí. Las capas exteriores del propulsor se mantienen frescas y protegen las paredes del cohete de las altas temperaturas. Si el cohete sólido es reutilizable, las paredes no deben dañarse en los últimos segundos de la quema cuando la zona de reacción se acerca a las paredes.

Hice la misma pregunta en Chemistry.SE y obtuve algunos factores más que los mencionados en las respuestas aquí.

  • El aglutinante flexible (caucho), que evita la formación de grietas bajo presión, es esencial para mantener una tasa de deflagración baja y estable, mucho más baja que en las cargas de voladura de la misma composición.

  • modificando la proporción de oxidantes (perclorato, nitrato de amonio) regula la velocidad; el perclorato se quema más rápido.

  • catalizadores como el carbono y los metales pueden aumentar la tasa de deflagración.

  • MIL-STD-286C. define un método para determinar la velocidad de combustión lineal de los propulsores.

Entonces, esencialmente, primero: la aplicación de un aglutinante similar al caucho es la parte crítica que reduce la tasa de deflagración a "velocidades de propulsor". Luego, a través de "ensayo y error", la velocidad se puede ajustar, adaptándola a los requisitos de construcción, geometría y propósito de SRB/misil específico, mediante la modificación de la composición del oxidante y los catalizadores. La parte final es la forma del grano dentro del cohete, que regula cómo cambia el área de deflagración con el tiempo, regulando el empuje del cohete con el tiempo, y el área de la boquilla, limitando la presión (y la tasa de deflagración) dentro del SRB.

Un propulsor se deflagra, en lugar de explotar. La diferencia entre ellos es que la deflagración depende de la energía térmica del frente de la llama, en lugar de la energía de la onda de choque provocada por la detonación.

La clave de este proceso es un equilibrio entre dos factores, la energía de activación del propulsor y la temperatura a la que se quema el propulsor. Este equilibrio se establece en contra de la difusión térmica del propulsor. Si el calor no puede difundirse lo suficientemente rápido en el propulsor, no permanecerá encendido. Si se difunde demasiado rápido... bueno... ¿te preguntaste qué les impide explotar?

Superficie, pura y simplemente. Cuanta más superficie sea visible, más rápido se producirá la quema.

En cuanto a lo que los separa de los explosivos, es que el propulsor está tan unido que solo la superficie puede arder. Si hay grietas, los cohetes sólidos pueden explotar, por lo que se fabrican con mucho cuidado.

¿Cómo evita la unión apretada que el calor (y la combustión) penetren más profundamente en el volumen, ignorando la superficie? ¿O qué limita la tasa de ablación de la superficie: exponer capas más profundas a una velocidad dada, el volumen del propulsor tarda alrededor de un minuto en quemarse, en lugar de quemarse en escasos segundos o menos?
El segundo es correcto, solo se quema la capa superior del propulsor. A medida que la superficie se quema, la parte de abajo puede comenzar a quemarse.
¿Pero por qué? En el proceso de combustión normal, el área interna del material está protegida contra la combustión por la falta de oxígeno, ya que todo se quema en la superficie o cerca de ella. Este no es el caso del propulsor mezclado con oxidante donde solo se necesita calor para liberar oxígeno; y estoy bastante seguro de que existen explosivos, que están tan apretados como un propulsor sólido.
@SF. Voy a adivinar antes de intentar buscarlo. Para quemar, necesitas dos tipos de moléculas en contacto, Y una temperatura alta, todo al mismo tiempo. En el motor de un automóvil, se necesita gas y aire mezclados como vapor, Y una chispa o calor. Pueden mezclar el propelente sólido de modo que no se mezclen uniformemente, sino que formen pequeños bolsillos alternos. El sólido conduce el calor, por lo que solo la superficie puede alcanzar la temperatura de ignición. Posiblemente necesitan ser vaporizados antes de que puedan reaccionar. Bien, ahora es el momento de ir a buscarlo :)
SF: en un nivel muy básico, la única diferencia entre un propulsor sólido y un explosivo sólido es la velocidad de combustión.
@RoryAlsop: Sí. Y estoy preguntando cómo se logra eso.
Necesita encendido, combustible y oxígeno, todo junto. A medida que quema la superficie, debe eliminar los productos de combustión y permitir que el combustible y la fuente de ignición se mezclen junto con el oxígeno producido por el propulsor que se está quemando actualmente.
@PearsonArtPhoto: ¿la velocidad de reacción de la combustión no sirve también como límite superior? Supongo que esa no es la principal limitación en la práctica, ya que su respuesta sugiere que no lo es, pero suponiendo que uno optimice todo lo demás, podría convertirse en un factor limitante, ¿correcto? [solo una pregunta basada en la curiosidad, no una crítica]
Su respuesta sugiere que un bloque de C4 no debería explotar entonces, ya que es una pieza muy unida de una sustancia homogénea.
La velocidad de reacción también es importante. C4, por ejemplo, reacciona mucho más rápido y, por lo tanto, siempre está dispuesto a explotar.
@PearsonArtPhoto: Esta tasa de reacción; los explosivos de baja potencia (que se utilizan como propulsor sólido) se definen simplemente como el frente de la llama que se desplaza a una velocidad subsónica y provoca la deflagración en lugar de la detonación. Pero 1 cm/s cae tan por debajo de "subsónico" que me cuesta imaginar la misma sustancia con el frente de llama viajando a 0,8 mach cuando la usas para voladura de rocas, y a 1 cm/s en su camino hacia el espacio. Debe haber algo que los diferencie.

Mirando a través de la descripción de APCP , noté que contiene polvo de metal . Eso significa que su suposición sobre el oxidante no es correcta. A nivel microscópico, el comburente no se distribuye por todo el volumen del metal. La distancia entre las moléculas oxidantes y los átomos de metal se mide en micrómetros, no en nanómetros. Por supuesto, un micrómetro todavía no es mucho, lo que explica por qué la reacción es muy rápida una vez que se vaporiza el propulsor. Los átomos solo necesitan viajar esos pocos micrómetros antes de que puedan reaccionar. Pero eso no es instantáneo y limita la velocidad de combustión.

Los propulsores se clasifican en 4 tipos: compuestos, de base simple, doble y triple. Compuesto, como APCP tiene separación macroscópica; los otros son sustancias químicas o mezclas a nivel atómico. Por ejemplo, la nitrocelulosa (utilizada, por ejemplo, en RS-82 ) es un propulsor de base única y es una sustancia única, no una mezcla; un monopropulsor - ni siquiera la separación entre partículas, combustible y oxidante de la misma sustancia. Los estabilizadores y otros aditivos se utilizan para controlar la estabilidad química y mejorar las propiedades del propulsor.
Aquí hay cierta confusión sobre si el "metal" es un combustible o un oxidante. APCP consiste en perclorato de amonio y un aglutinante, además de algunos aditivos metálicos como aluminio, zinc o magnesio. Esos tres últimos aditivos se consideran combustibles . Sin embargo, el combustible principal es el amonio (NH4). El motor XLR99 del avión espacial X-15, por ejemplo, funcionaba con amonio y LOX. El perclorato (ClO4) es el principal oxidante . Los aditivos de óxido de metal también son oxidantes y catalizadores . Los catalizadores son un factor importante en la velocidad de combustión, por lo que es posible que desee centrar la investigación en ellos en su búsqueda.
@ DrZ214: Aclarado, un metal es inequívocamente un reductor (donante de electrones). Una vez que ha donado esos electrones, el ion asociado puede convertirse en un oxidante (recuperando sus electrones), pero no será un oxidante fuerte.
¿Qué limita la velocidad de combustión del propelente sólido?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v