Si el peróxido de prueba alta es más estable cuando está puro, ¿por qué la mayoría de sus usos en cohetería se encuentran en concentraciones más bajas?

Según el artículo de Wikipedia para peróxido de prueba alta :

El peróxido de hidrógeno se vuelve más estable con un mayor contenido de peróxido. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno al 98 % es más estable que el peróxido de hidrógeno al 70 %. El agua actúa como un contaminante y cuanto mayor es la concentración de agua, menos estable es el peróxido.

Luego, el artículo continúa enumerando varios usos del peróxido de prueba alta, la mayoría de los cuales se encuentran en aplicaciones aeroespaciales, ya sea como monopropulsor o como oxidante en bipropulsores. La mayoría de los peróxidos de hidrógeno utilizados en estas aplicaciones rondan el 80%. Hubiera pensado que esto se debía a que las concentraciones más altas no eran prácticas debido a problemas de seguridad o manejo, pero según la misma página, en realidad son más estables. Si este es el caso, ¿por qué no simplemente aprovechar la ventaja del rendimiento y usar el 98-100 % en todas partes?

¿Es el peróxido de hidrógeno al 98% o más especialmente caro o difícil de fabricar? ¿Hay alguna otra preocupación (¿almacenamiento?) que limite la utilidad práctica a las concentraciones del 80-85% más peligrosas y de peor rendimiento?

Puede ser que pure produzca demasiado calor por sí solo. Con diluido, el contenido de agua se convierte en vapor, agregando empuje y absorbiendo parte del calor cuando el peróxido se descompone.
Robert DG probablemente esté en el camino correcto: desea energía y masa expulsable para obtener el mejor rendimiento.
Tal vez, pero he probado esto a través de ProPEP y, como en la mayoría de las situaciones en las que hay agua en el propulsor, el impulso específico del 100 % es mejor. Por ejemplo, con RP-1, ProPEP proporciona un Isp* óptimo (Isp de vacío con una relación de expansión de 1) de 205 s a 1 parte de RP1 por 7 partes de H2O2 al 100 % en masa. Para RP-1 con 90%, el Isp* óptimo es 203s, con el óptimo en la misma proporción. Claro, considerando que una cantidad considerable del propulsor es agua, está sorprendentemente cerca, pero no es mejor. El peso molecular del producto de escape es idéntico (21,813), por lo que tampoco creo que el agua ayude mucho al empuje.
100% H2O2 tiene un mejor rendimiento, no hay duda de que, más oxígeno, se puede quemar más combustible y se liberará más energía. También se produce agua durante la combustión de RP-1, se quema más RP-1: se producen más vapores de agua, por lo que agregar agua al H2O2 no afectará en gran medida la masa molar del gas. Además, el agua tiene una alta energía de vaporización, por lo que disminuye significativamente la temperatura de descomposición. A continuación, el 67 % de H2O2 no se descompondrá por completo, el agua permanecerá líquida. Hay otras razones por las que las concentraciones suelen oscilar entre el 80 y el 90 %.

Respuestas (1)

Hay varias razones:

  1. Catalizador- En la mayoría de las aplicaciones, el HTP se descompone primero en vapor de oxígeno y luego se introduce en la cámara de combustión donde se enciende espontáneamente el combustible (generalmente RP-1). El paquete de catalizador generalmente está hecho de mallas de acero inoxidable plateadas. Muchos tipos de catalizadores pueden descomponer HTP (permanganatos, dióxido de manganeso, óxido de plomo, etc.), pero se ha descubierto que la plata es la más eficaz. La plata se puede utilizar en concentraciones de HTP de hasta el 92 %, porque la temperatura de la llama adiabática en concentraciones más altas está cerca del punto de fusión de la plata y el catalizador puede dañarse. Para concentraciones superiores al 92 % se debe utilizar platino. El platino es un catalizador más caro, más denso y menos eficaz. Por lo tanto, perdería efectividad en la descomposición, disminuiría la relación confianza/peso del motor y aumentaría los gastos. El tema de muchas investigaciones es sustituir el platino con materiales cerámicos, pero la cerámica es propensa a grietas en gradientes térmicos y de presión severos. En los jet packs ya está sustituido, pero no hay preocupación de que las piezas de cerámica que vuelan bloqueen los inyectores o dañen las palas de la turbina.
  2. Punto de congelación : el agua se utiliza como depresor del punto de congelación. El peróxido de hidrógeno puro se congela a -0,43 °C. El 98% HTP se congela a -2,5ºC, el 90% a -11ºC, el 70% a -39ºC, etc. El ingrese la descripción de la imagen aquíacero inoxidable y el aluminio son materiales compatibles con HTP y, por lo tanto, se utilizan principalmente para tanques de combustible. Ambos materiales tienen una alta conductividad térmica y el cohete tiene que atravesar la estratosfera donde las temperaturas pueden alcanzar los -51ºC para que su punto de congelación deseable sea lo más bajo posible. Por lo general, la concentración es un compromiso entre el rendimiento y el punto de congelación. Se encontró que más allá del 50% de las concentraciones tienen una notable tendencia al sobreenfriamiento.
  3. Peligro de detonación : Wikipedia considera que más estable es menos deteriorado. Cualquier concentración de peróxido de hidrógeno se descompondrá durante el almacenamiento, siendo pura la más estable en estos términos. Pero el peróxido de hidrógeno puro es capaz de detonar. Aunque es difícil lograr una detonación adecuada, todavía es posible y representa un riesgo, especialmente en cohetes donde se almacenan grandes cantidades a la vez. Unos pocos porcentajes de agua mitigan en gran medida este riesgo y se cree que por debajo del 90 % ya no es capaz de detonar si la solución no contiene combustible. Los vapores de peróxido de hidrógeno también pueden detonar. Se encontró que en soluciones al 90%, los vapores de agua y peróxido de hidrógeno no son explosivos bajo temperaturas normales de almacenamiento.
Si el peróxido de prueba alta es más estable cuando está puro, ¿por qué la mayoría de sus usos en cohetería se encuentran en concentraciones más bajas?
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