¿Razones por las que se eligió el combustible de amoníaco anhidro líquido para el X-15? ¿Se ha utilizado en otros motores de cohetes?

Según "Ignition!" de Clark. , los científicos de cohetes alemanes en la Segunda Guerra Mundial habían hecho los cálculos sobre el amoníaco, y el JPL lo había quemado con oxidantes RFNA y WFNA en 1949-1951.

Con respecto al XLR99 , Clark dice:

Pero se necesitaba algo más potente que el alcohol para el avión de investigación supersónico impulsado por un cohete X-15. La hidracina fue la primera opción, pero a veces explotaba cuando se usaba para el enfriamiento regenerativo, y en 1949, cuando se concibió el programa, no había suficiente de todos modos. Bob Truax de la Marina, junto con Winternitz de Reaction Motors, que iba a desarrollar el motor de empuje de 50,000 libras, se decidió por el amoníaco como un segundo mejor razonablemente satisfactorio. La combinación de oxígeno y amoníaco había sido disparada por JPL, pero RMI realmente lo resolvió a principios de los años 50. La gran estabilidad de la molécula de amoníaco lo convirtió en un cliente difícil de quemar y desde el principio estuvieron plagados de inestabilidad de funcionamiento y combustión. Se probaron todo tipo de aditivos para el combustible con la esperanza de aliviar la condición, entre ellos metilamina y acetileno. El veintidós por ciento de este último dio una combustión suave, pero era peligrosamente inestable y la mezcla no se usó por mucho tiempo. Los problemas de combustión finalmente se solucionaron mejorando el diseño del inyector, pero fue un proceso largo y ruidoso.

En ese momento, el estado del arte en los grandes cohetes era el Redstone , que quemaba 75/25 de alcohol etílico/agua con LOX en un motor que en gran parte fue copiado del V-2 ; era necesario regar el combustible para moderar la temperatura de combustión. Si bien se enfrió de forma regenerativa, el diseño de los tubos de enfriamiento no era tan complejamente eficiente en ese momento como lo sería en motores posteriores.

El queroseno se "coquearía" (polimerizaría) en los motores enfriados de forma regenerativa, lo que podría obstruir de manera catastrófica los tubos de refrigerante. Ese problema eventualmente se resolvería con el desarrollo de la especificación de queroseno RP-1 a mediados de los años 50.

Entonces, durante el desarrollo del XLR99, el amoníaco tenía un nicho útil: brindaba un mejor rendimiento que el alcohol al 75 %, era más adecuado para el enfriamiento regenerativo que el queroseno barato y era más seguro que los combustibles de hidracina.

El libro Aerofax Datagraph 2 / North American X-15/X-15A-2 de Ben Guenther, Jay Miller y Terry Panopalis tiene más información sobre la historia de la elección del propulsor (página 27):

Finalmente, se determinó que los dos requisitos más importantes desde el punto de vista de la seguridad tenían que ver con la combinación de propulsores y los medios para lograr la seguridad de la combustión durante el arranque y la parada. Se exploraron en profundidad siete combinaciones de propulsores, que eventualmente se redujeron a oxígeno líquido como oxidante y amoníaco anhidro como combustible. La elección se basó principalmente en el hecho de que Reaction Motors tenía una experiencia significativa con sistemas propulsores de oxígeno líquido/amoníaco, y también en el hecho de que esta combinación de propulsores tenía características de arranque mucho menos críticas. Además, la combinación de oxígeno líquido/amoníaco era un refrigerante ideal para el enfriamiento regenerativo de la cámara de empuje del motor propuesto.

FWIW, este libro también tiene una buena reseña sobre la historia del desarrollo del XLR-99 y detalles sobre su diseño.

De acuerdo con este pdf de una presentación de PowerPoint, la elección se hizo porque uno de los principales diseñadores de Reaction Motors, el Dr. Paul F. Winternitz, era un defensor de los motores NH3/LOX.

Justificación de la elección del propulsor:

La directiva para usar NH 3 provino del Dr. Paul F. Winternitz, un científico de propelentes de Austria.

• El Dr. Winternitz tenía que encontrar un combustible que fuera estable, que fuera fácil de mantener, que mostrara una buena densidad de energía volumétrica, que funcionara en el rango de temperatura y permitiera sacar conclusiones para un sistema de combustible H2 posterior.
• ¡NH 3 /LOX cumplía con los requisitos y funcionó!
• Más tarde, cuando la densidad de energía gravimétrica era más importante que la densidad de energía volumétrica (para el transbordador), se prefirió el H 2
• Buenas propiedades de transferencia de calor.

La presentación es un poco incompleta (e indica incorrectamente que un motor anterior construido por Reaction Motors, el XLR-10 fue alimentado con NH3), pero incluye este maravilloso esquema del XLR-99.

Curiosamente, esta presentación se hizo a la NH3 Fuel Association, cuyos objetivos son

promover el NH3 como un combustible asequible, sostenible y libre de carbono para aplicaciones estacionarias de energía, transporte y almacenamiento de energía, reduciendo así la dependencia de los combustibles fósiles y permitiendo la transición a una economía baja en carbono.

Interviniendo como miembro desde hace mucho tiempo de la Asociación de Combustible NH3.

Primero, una pequeña corrección. "Criogénico" se refiere a los gases que se licúan por debajo de -150 grados C. Como usted dice, el amoníaco se licúa a -33 grados... que es bastante similar a las condiciones ambientales de la industria. "Refrigerado" sería un término más preciso.

En segundo lugar, pregunta por qué se usó amoníaco como combustible para cohetes para el X-15. No soy un experto en motores, y otros han abordado esto aquí con más conocimiento del que puedo, pero entiendo que el problema de la "coquización" era vital: los combustibles de hidrocarburos formaban hollín que afectaba el rendimiento, pero el amoníaco no contiene carbono y, por lo tanto, no formaba hollín. .

En tercer lugar, pregunta si se usó amoníaco antes o después del X-15. Si y si.

En el pasado... Bélgica, autobuses municipales en la década de 1940; Noruega, camión de demostración en la década de 1930; Louisiana, tranvía público en la década de 1870 (máquina de vapor de amoníaco, fluido de trabajo, no combustible). Consulte https://nh3fuelassociation.org/introduction/ .

Ahora en marcha: docenas de proyectos para energía y combustible libres de carbono, desde proyectos de energía insular hasta proyectos de importación/exportación a escala de la red nacional. Visite mi sitio web si desea buscar más información sobre proyectos en todo el mundo.

PD al comentario anterior sobre refrigeración en el X-15. No tenía ninguno, mantener el peso absolutamente mínimo lo impedía. La temperatura fue un problema mucho mayor para el LOX que para el NH3. Durante el transporte cautivo para el lanzamiento, el LOX se reabasteció con un suministro en el avión de transporte B-52; de lo contrario, se produjo algún grado de evaporación. Un caso especial de ventilación de LOX fue enviarlo a través del XLR-99 para preenfriar el motor justo antes del lanzamiento.

En el vuelo de altitud mundial FAI de Bob White, solicitó y recibió permiso para reordenar algunos de los elementos finales en la lista de verificación previa al lanzamiento, para obtener unos segundos adicionales de LOX del tanque LOX del B-52, que era exclusivo de los dos B-52 solían llevar el X-15. White también tuvo un rendimiento superior al XLR99 en esa misión, y el taller de cohetes Dryden se lo avisó con anticipación.

Como docente en el Museo Aeroespacial de California, a menudo me refiero indirectamente a la actuación resultante. Con un encendido de cohete de 82 segundos, White estableció un récord de altitud FAI en 314,750 pies, aproximadamente 30,000 pies por encima del apogeo planeado. Eso estaba dentro del historial general de sobreimpulsos y subimpulsos de altitud del X-15, el máximo que me viene a la mente fue de aproximadamente 40,000 pies.

Otra métrica es que cuando el XLR-99 se enciende, el piloto inmediatamente tiene 2G de aceleración hacia adelante. Eso creció a 4G en el agotamiento: dio lugar a una famosa cita del piloto X-15 Milt Thompsin: "El X-15 es el único avión en el que volé y me alegré cuando el motor se apagó".

Algunas otras métricas de ese vuelo récord de White fue que cubrió alrededor de 315 millas en horizontal, 110 millas en vertical, y aterrizó 10 minutos y 20,7 segundos después del lanzamiento.

Como se mencionó en una de las respuestas anteriores y según esta fuente , la directiva para usar amoníaco anhidro provino del Dr. Paul F. Winternitz, científico de propulsores de Austria y jefe del departamento de I+D de Reaction Motors Inc. (RMI). Según su declaración, fue elegido por razones prácticas:

'' He trabajado con bastantes sistemas propulsores y descubrí que NH3/LOX es uno de los más fáciles de usar. Encontramos algunos desafíos en el camino, pero ninguno estaba relacionado con el combustible en sí '''

Los trabajos anteriores del ingeniero de cohetes llamado Robertson Youngquist sobre el enfriamiento regenerativo del motor con amoníaco anhidro sentaron las bases para su uso en RMI. Las siguientes ventajas del amoníaco anhidro fueron atractivas para los ingenieros de propulsión:

• El alto contenido de hidrógeno, 17,65 %, junto con una densidad líquida decente de 0,682 kg/l en BP (el enfriamiento previo aumenta aún más la densidad) proporciona un contenido de hidrógeno un 70 % más alto que el propio LH2,
• Buen rendimiento: nivel del mar Isp 293s, impulso específico de vacío 343s. Estos valores siguen siendo atractivos,
• Baja masa molar promedio de gases (alrededor de 19,8 g/mol) para mezclas ricas en combustible debido a la disociación de amoníaco en hidrógeno y nitrógeno a temperaturas más altas,
• La temperatura de combustión es de alrededor de 2800-2850°C, más baja que en otras combinaciones en las mismas condiciones debido al alto contenido de agua en el escape y la disociación del amoníaco.
• La combustión de cero emisiones, el agua y el nitrógeno son solo productos de combustión. Sin COx, SOx, NOx y compuestos de cloro. El amoníaco no es un gas de efecto invernadero.
• Temperatura de licuefacción media de -33,3 °C, punto de congelación bajo de -77,73 °C y temperatura crítica alta de 132,4 °C, lo que significa que es líquido en un amplio rango de temperaturas,
• Alto calor latente de vaporización 1,37 MJ/kg y alta capacidad calorífica 4,7 KJ/kg*K (más alta que el agua), lo que significa que es un medio excelente para el enfriamiento regenerativo,
• Es gas autopresurizado, presión de vapor 10bar a 25°C,
• No es corrosivo, explosivo y altamente inflamable.

Sin embargo, el amoníaco no está exento de inconvenientes:

• Es tóxico cuando se inhala y debe manejarse con respeto. Es altamente tóxico para la vida marina. Aún así es menos peligroso que la hidracina y sus derivados. También hubo una larga experiencia en la fabricación, transporte y almacenamiento con excelente historial de seguridad,
• El encendido es problemático, los arranques difíciles y las inestabilidades de la combustión suelen ser problemas. Los ingenieros de RMI lograron superar esos problemas en LR-99 con un diseño de inyector inteligente. Sin embargo, el reinicio confiable del motor sería un desafío para las misiones en el espacio profundo a pesar del atractivo impulso específico del vacío,
• Baja densidad total de O&F, más baja que Kerolox o NTO/Hydrazine, pero aún mejor que Hydrolox.

En cohetería, el amoníaco anhidro estaba destinado a ser utilizado en:

• Douglas D-558-3 avión cohete tripulado estadounidense volado en 1954, una contraparte del X-15 destinado a la Armada. Empleó otro motor RMI XLR-30-RM-2. Abundó a favor de X-15,

• El mini transbordador fue concebido en 1972 como un cohete tripulado que utilizaría componentes propios como el motor LR-99, pero nunca fue autorizado.

• En 2012, el fabricante ruso de motores de cohetes Energomash anunció trabajos en un nuevo cohete alimentado por una mezcla de acetileno y amoníaco. El nuevo motor atsetam debería basarse en el RD-161 y el lanzamiento del cohete estaba previsto para 2017-2018. Pero parece que enfrentó recortes de fondos.