Rendimiento de un motor de cohete líquido sin bomba

El rendimiento de un motor de cohete, su impulso específico, es directamente proporcional a la velocidad de los gases de escape (¡y nada más!). Esa velocidad se logra liberando los productos de combustión de la cámara de combustión presurizada (presurizada por la producción continua de gases de escape al quemar los combustibles) y cuanto mayor sea la presión, más podrá acelerar los gases de escape y obtener un mejor rendimiento.

Para inyectar combustibles en la cámara de combustión, debe empujarlos a una presión más alta que la presente en la cámara. Eso requiere plomería e infraestructura capaces de soportar estas presiones: paredes gruesas, voluminosas y pesadas. Si presuriza todo el tanque, todo el tanque debe estar a prueba de presión, lo suficientemente robusto para soportar las altas presiones. Eso dará como resultado un tanque excepcionalmente grueso y pesado o, prácticamente, un tanque que es moderadamente pesado pero solo tiene una presión muy moderada. Eso se convierte en baja presión en la cámara de combustión y bajo rendimiento.

Las turbobombas son una forma de evitar esto: el tanque solo debe soportar una presión muy modesta necesaria para llevar el combustible a la bomba, y luego solo se debe reforzar el pequeño segmento de la infraestructura que pasa por la bomba, y se puede reforzar bastante (¡es pequeño!) Proporciona una presión de cámara muy alta: excelente rendimiento del motor.

Aún así, los cohetes alimentados a presión no son tan raros; la mayoría de los primeros motores de cohetes funcionaban a presión. A menudo es más económico ir con una etapa de un cohete más simple, más grande y de bajo rendimiento que desarrollar algo de excelente rendimiento que cuesta mucho.

En cuanto a la presurización a través de la gravedad y la aceleración, 10 m de agua producen 1 bar de presión diferencial en 1 g. El oxígeno líquido, RP-1, hidrógeno, metano, etc. son todos menos densos, pero usemos agua para números aproximados y límite superior usando algunos extremos. Saturno V medía 111 metros de altura. Démosle una aceleración bastante opresiva de 6 g y hagamos correr el combustible desde la punta hasta el motor. Todavía obtienes solo las muy modestas 66 barras. Podría mejorarlo mediante la presurización, pero ya está transportando toda esta masa en la parte superior de una torre de 111 m de altura, ¡la sobrecarga estructural será enorme! Mientras tanto, Merlin de SpaceX, su caballo de batalla, llega a casi 100 bares y tiene un rendimiento bastante mediocre.

En los motores de alto rendimiento, la presión de la cámara es demasiado alta para ser alimentada por gravedad (o incluso por presión).

El motor principal del transbordador espacial tenía una presión de cámara en el estadio de béisbol de 3000 y 3500 psi (~ 200 a ~ 240 bar). Se requieren bombas para inyectar los propulsores en una cámara que contiene una presión tan alta; la presión de la cabeza no es un medio práctico.

Si su pregunta es realmente "¿Por qué la presión de la cámara debe ser tan alta?" Eliminaré esto.

Además de las excelentes respuestas ya dadas, me gustaría señalar que todos los principales cohetes líquidos son "alimentados por gravedad" de alguna manera. De hecho, dependen de la gravedad o de la aceleración para empujar el combustible y los oxidantes hacia el fondo. Donde esto es más desafiante es en la separación de etapas, donde el cohete está brevemente casi en caída libre (bueno, ascenso balístico libre) y la etapa superior puede necesitar pequeños propulsores sólidos, por ejemplo, para alejarse de la etapa inferior y chapotear. combustible hacia los motores.

Simplemente, como ya se dijo, sería muy problemático aumentar esa presión descendente lo suficiente como para presionar el combustible hacia la cámara de combustión. Ahí es donde se necesita una bomba, porque un tanque que puede soportar la presión solo es práctico a pequeña escala. Los diseñadores del Sea Dragon en realidad pensaron lo contrario, pero estoy bastante seguro de que estaban equivocados; este cohete nunca habría funcionado según lo previsto.

Para agregar una razón más para la presurización de la turbobomba: la estabilidad de la combustión. Es de suma importancia que la combustión del combustible y el comburente se realice de manera constante, controlable y segura. Se da por sentado y no necesita explicación, ¿verdad? Pero la realidad física de alcanzar esta condición deseable hizo perder el sueño a generaciones de ingenieros. En pocas palabras, la alimentación de alta presión de las turbobombas, entre otras medidas, ayuda enormemente a resolver este problema.

En la parte de alimentación por gravedad, la pregunta original, realmente no importa cuál es el origen de la fuerza que experimenta el combustible; ya sea la gravedad misma, la aceleración del cohete o la presión hidrostática de la columna de fluido en sí misma, en cualquier escenario concebible, esa presión es demasiado baja para que el motor funcione de manera útil, como se explicó anteriormente en otros carteles. Solo quería señalar que si estuviera a bordo de un cohete acelerando y con los ojos vendados, no hay forma de saber qué parte de la fuerza se siente por la gravedad y cuánto por la aceleración. Así es como la gravedad y las fuerzas de inercia son iguales, y el combustible también lo siente de esta manera. Dado que la aceleración suele estar en el rango de 3 a 6 g, y que el cohete comienza su inclinación de cabeceo lento hacia la horizontal casi inmediatamente después del despegue,

Espero que esto ayude.