¿Se podría usar el aire de derivación para enfriar un motor de cohete como en los turboventiladores?

Los motores de cohetes suelen emplear una especie de camisa de enfriamiento, por lo general, el combustible tiene un doble propósito como refrigerante líquido antes de que fluya hacia los inyectores.

Aquí hay un turborreactor de ejemplo que usa un bypass. Como puede ver, el aire de derivación tiene una temperatura mucho más fría que la cámara de combustión de aire:

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¿Por qué no hay diseños que utilicen un bypass de aire (similar a un turborreactor) para enfriar el motor/tobera? Obviamente, una vez que el cohete haya escapado de la atmósfera, un bypass sería de poca utilidad. Sin embargo, por lo general en esa etapa en un cohete, el empuje se ha reducido considerablemente y, por lo tanto, también genera calor.

¿Un sistema de enfriamiento de derivación no haría un motor de cohete un poco menos complejo (especialmente para la primera etapa)?

En un cohete, ¿de dónde vendrá este aire de derivación? Además, el combustible tiene una capacidad calorífica mucho mayor que el aire.
@fooot Imagino respiraderos cerca/alrededor del cono de la nariz para abrir el bypass. Dado que el cohete viaja muy rápido, empujaría aire a través de la derivación sin que fuera necesario un ventilador.
¿Cómo sería esto menos complejo que el enfoque actual?
@CareyGregory Tal vez no entiendo algo, pero parece que calentar combustible rápidamente es intrínsecamente peligroso y requiere tuberías de presión extra alta, etc. Si la parte superior del cohete solo tuviera aberturas que permitieran que el aire viajara dentro del caparazón y hacia abajo la boquilla (llevando el calor con ella), entonces solo estamos hablando de algunos conductos.
@SnakeDoc El combustible de calefacción no es tan peligroso como podría pensar, siempre que no lo combine con un oxidante. Incluso los aviones que vuelan en el aire utilizan con frecuencia la alta capacidad calorífica de su combustible. Es un orden de magnitud mayor que el que obtendrá del aire, especialmente a gran altura, y su eficacia será más o menos constante, en lugar de disminuir rápidamente con la altitud. Además, los motores de cohetes utilizados en un lanzamiento espacial generalmente liberarán órdenes de magnitud más de energía que un motor a reacción turboventilador.
@SnakeDoc: El combustible para cohetes no puede arder sin oxígeno (al menos, no a las temperaturas de las que estamos hablando. Obviamente, cualquier cosa ardería con o sin oxígeno cuando se arroja al sol). Si las tuberías tienen fugas y el oxígeno ingresa a las líneas de combustible, tiene problemas mayores.
Esto no es realmente enfriamiento por aire, pero algunos motores usan enfriamiento de cortina donde los gases de escape relativamente fríos de las turbobombas se alimentan a parte de la boquilla. Consulte en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine#Cooling .
@reirab Eso es realmente interesante. Hubiera pensado que tomar combustible para cohetes (digamos hidrógeno líquido) de -253 grados C y tocarlo con algo que se calienta a más de 1200 grados C sería suficiente para "encender rápidamente" el combustible.
@SnakeDoc En presencia de oxidante, tal vez. Sin embargo, nada se quema sin oxidante, independientemente de la temperatura. (El 'quemarse' en el sol mencionado por Slebetman no es combustión; es fusión nuclear). La combustión es una reacción química (específicamente, una reacción redox ). Una reacción química no puede tener lugar sin que todos los reactivos estén presentes.
@reirab Esa es una información bastante buena. Deberías ponerlo en una respuesta para que pueda votarlo.

Respuestas (4)

La refrigeración por aire no va a contribuir mucho aquí.

Los motores del transbordador se enfriaron con hidrógeno líquido (-253 ° C) del suministro de combustible que se bombeaba hacia los conductos de enfriamiento dentro de la boquilla. La temperatura típica de la boquilla en funcionamiento era de alrededor de 54 °C. Sí, cincuenta y cuatro Celsius. (BBC Engineering Connections - vea este clip de Youtube )

La velocidad máxima del SR-71 (alrededor de Mach 3,2) estaba limitada por la temperatura del aire que llegaba a los motores que, tras ser comprimido en los conductos de entrada, alcanzaba temperaturas en torno a los 400°C. ( Wikipedia: SR-71 )

El transbordador pasa a Mach 4 unos 2 minutos después del lanzamiento.

Una nave espacial también sube por encima de la atmósfera para minimizar la resistencia lo más rápido posible, por lo que durante gran parte de la operación del motor no hay aire alrededor.
Gran punto sobre el hecho de que el aire está demasiado caliente para enfriarse tan pronto después del lanzamiento; eso es algo que no consideré en mi respuesta.

Prácticamente todos los motores a reacción utilizan una técnica muy similar a la técnica que está proponiendo: el interior de la cámara de combustión, las turbinas y el escape (y el dispositivo de poscombustión, si el motor tiene uno), así como las palas de la turbina y los estatores, están cubiertos. con pequeños agujeros. El aire de enfriamiento es forzado a través de estos orificios, formando una capa límite entre el metal y los gases súper calientes.

La temperatura de combustión del combustible/aire en un motor a reacción está muy por encima del punto de fusión de los metales utilizados para construir estos componentes, razón por la cual esto es necesario. De hecho, la temperatura de los gases supera la temperatura de vaporización de varios metales.

¿De dónde viene este aire de refrigeración? Viene del compresor del motor. La razón por la que no se usa el aire de derivación es porque tiene una presión más baja que el interior del núcleo del motor, por lo que los gases calientes se moverían a través de los orificios hacia el conducto de derivación. En este caso, la capa límite está hecha de gas caliente en lugar de gas frío, lo que destruye el motor.

Para obtener aire con la presión adecuada, el aire se "purga" del compresor en los puntos donde la presión es lo suficientemente alta como para proporcionar un flujo adecuado (¡en la dirección correcta!) a las partes del motor que lo necesitan. Este método de enfriamiento es tan efectivo que los componentes de un motor a reacción que necesitan soportar la mayor cantidad de calor son en realidad las partes de mayor presión del compresor, porque (a) el aire se calienta cuando lo comprimes y (b) no puedes No use la misma técnica de capa límite fría en el compresor porque necesita aire a mayor presión que el aire caliente del que está tratando de proteger el componente, y el componente es parte de la parte de mayor presión del compresor.

Aquí hay una imagen de una paleta de guía de escape de chorro, con orificios de enfriamiento claramente visibles:

Los orificios perforados con láser permiten el enfriamiento de la película en esta paleta guía de boquilla V2500 de primera etapa

En un motor de cohete, podría enfriarlo potencialmente con aire atmosférico comprimido, pero hacerlo agregaría peso y complejidad, y solo funcionaría en las capas inferiores de la atmósfera donde hay suficiente densidad de aire para proporcionar una tasa de flujo de masa adecuada para absorber el calor. . Dado que, como mencionó, el combustible (o potencialmente oxidante) se puede usar para enfriar el motor de manera efectiva por una penalización de peso mucho menor y una mayor libertad en el entorno operativo, esa ha sido la opción obvia para la mayoría de los cohetes de combustible líquido de alto rendimiento.

El cohete aumentado con aire utiliza aire de la corriente libre para proporcionar un empuje adicional (y potencialmente) enfriar el motor. Dos de los principales problemas al tratar de agregar aire 'extra' en la corriente del cohete son: arrastre sobre el cuerpo del cohete (prácticamente el principal) y la interrupción del flujo de alta temperatura (especialmente si está tratando de introducir aire en algún lugar alrededor). la boquilla).

Ah, alguien ha intentado esto antes, incluso la NASA. No pensé que interrumpir el flujo de alta temperatura sería un problema, ya que el empuje se genera dentro de la boquilla.
Interrumpir el flujo del chorro es principalmente una preocupación si está tratando de incorporar el flujo de aire libre en la boquilla.

Dos razones principales: en primer lugar, los cohetes funcionan a un nivel de potencia absurdo: las bombas de combustible y oxidante solas en un transbordador espacial tienen una potencia de eje combinada mayor que un turboventilador GE90, por lo que realmente lucharía para obtener suficiente flujo de aire, el hidrógeno líquido es un Disipador de calor mucho mejor, especialmente en las cantidades que utilizan.

En segundo lugar, la mayoría de los cohetes se construyen con la intención de ir al espacio, donde no hay aire de enfriamiento en absoluto, por lo que a medida que subes más alto y el aire se vuelve más delgado, tu cohete enfriado por aire se sobrecalentará rápidamente.

¿Se podría usar el aire de derivación para enfriar un motor de cohete como en los turboventiladores?
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