Propelente hipergólico - Hypergolic propellant
Una combinación de propulsor hipergólico utilizada en un motor de cohete es aquella cuyos componentes se encienden espontáneamente cuando entran en contacto entre sí.
Los dos componentes propulsores generalmente consisten en un combustible y un oxidante . Las principales ventajas de los propulsores hipergólicos son que pueden almacenarse como líquidos a temperatura ambiente y que los motores que funcionan con ellos son fáciles de encender de forma fiable y repetida. Los propulsores hipergólicos comunes son difíciles de manejar debido a su extrema toxicidad y / o corrosividad .
En el uso actual, los términos "hipergol" o "propulsor hipergólico" normalmente significan la combinación de propulsores más común, tetróxido de dinitrógeno más hidrazina y / o sus parientes monometilhidrazina (MMH) y dimetilhidrazina asimétrica .
Historia
En 1935, Hellmuth Walter descubrió que el hidrato de hidracina era hipergólico con peróxido de hidrógeno de alta concentración de 80 a 83 por ciento. Probablemente fue el primero en descubrir este fenómeno y se puso a trabajar en el desarrollo de un combustible. El profesor Otto Lutz ayudó a la Walter Company con el desarrollo de C-Stoff, que contenía 30 por ciento de hidrato de hidracina, 57 por ciento de metanol y 13 por ciento de agua, y se encendió espontáneamente con peróxido de hidrógeno de alta concentración . BMW desarrolló motores que queman una mezcla hipergólica de ácido nítrico con varias combinaciones de aminas, xilidinas y anilinas.
Los propulsores hipergólicos fueron descubiertos de forma independiente, por segunda vez, en los Estados Unidos por investigadores de GALCIT y Navy Annapolis en 1940. Desarrollaron motores propulsados por anilina y ácido nítrico fumante rojo (RFNA) . Robert Goddard , Reaction Motors y Curtiss-Wright trabajaron en motores de anilina / ácido nítrico a principios de la década de 1940, para pequeños misiles y despegue asistido por jet ( JATO ). El proyecto resultó en el exitoso despegue asistido de varios Martin PBM y PBY. bombarderos, pero el proyecto no fue del agrado debido a las propiedades tóxicas del combustible y del oxidante, así como al alto punto de congelación de la analina. El segundo problema se resolvió finalmente mediante la adición de pequeñas cantidades de alcohol furfurílico a la analina.
En Alemania, desde mediados de la década de 1930 hasta la Segunda Guerra Mundial , los propulsores de cohetes se clasificaron ampliamente como monergols , hypergols , non- hypergols y lithergols . La terminación ergol es una combinación del griego ergon o trabajo y del latín oleum o aceite, posteriormente influenciado por el sufijo químico -ol de alcohol . Los monergoles eran monopropelentes , mientras que los no hipergoles eran bipropelentes que requerían ignición externa y los lithergoles eran híbridos sólido / líquido. Los propulsores hipergólicos (o al menos la ignición hipergólica) eran mucho menos propensos a arranques bruscos que la ignición eléctrica o pirotécnica. La terminología "hipergol" fue acuñada por el Dr. Wolfgang Nöggerath, en la Universidad Técnica de Brunswick , Alemania.
El único caza propulsado por cohetes jamás desplegado fue el Messerschmitt Me 163 B Komet . El Komet tenía un HWK 109-509 , un motor de cohete que consumía metanol / hidrazina como combustible y peróxido de alta prueba como oxidante. El motor del cohete hipergólico tenía la ventaja de un ascenso rápido y tácticas de impacto rápido a costa de ser muy volátil y capaz de explotar con cualquier grado de falta de atención. Otros cazas de cohetes de combate propuestos como el Heinkel Julia y aviones de reconocimiento como el DFS 228 estaban destinados a utilizar la serie de motores de cohetes Walter 509, pero además del Me 163, solo el caza prescindible de lanzamiento vertical Bachem Ba 349 Natter fue probado en vuelo con el sistema de propulsión de cohetes Walter como su principal sistema de empuje de sostenimiento para aeronaves de uso militar.
Los primeros misiles balísticos , como el R-7 soviético que lanzó el Sputnik 1 y el Atlas estadounidense y el Titan-1 , utilizaban queroseno y oxígeno líquido . Aunque se prefieren en los lanzadores espaciales, las dificultades de almacenar un criógeno como el oxígeno líquido en un misil que tenía que mantenerse listo para el lanzamiento durante meses o años condujeron a un cambio a propulsores hipergólicos en el Titán II de EE. UU. Y en la mayoría de los soviéticos. Misiles balísticos intercontinentales como el R-36 . Pero las dificultades de tales materiales corrosivos y tóxicos, incluidas las fugas y explosiones en los silos Titan-II, llevaron a su reemplazo casi universal con propulsores de combustible sólido, primero en misiles balísticos lanzados desde submarinos occidentales y luego en misiles balísticos intercontinentales estadounidenses y soviéticos con base en tierra. .
El Módulo Lunar Apolo , utilizado en los alunizajes , empleó combustibles hipergólicos tanto en los motores de los cohetes de descenso como de ascenso.
La tendencia entre las agencias de lanzamiento espacial occidentales está alejándose de los grandes motores de cohetes hipergólicos y hacia los motores de hidrógeno / oxígeno con mayor rendimiento. Ariane 1 a 4, con su primera y segunda etapa hipergólica (y refuerzos hipergólicos opcionales en Ariane 3 y 4) se han retirado y reemplazado con Ariane 5, que utiliza una primera etapa alimentada por hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Los Titán II, III y IV, con sus primeras y segundas etapas hipergólicas, también se han retirado. Los propulsores hipergólicos todavía se usan ampliamente en las etapas superiores cuando se requieren múltiples períodos de costa de combustión y en los sistemas de escape de lanzamiento .
Caracteristicas
Ventajas
Los motores de cohetes alimentados con energía hipergólica suelen ser simples y confiables porque no necesitan un sistema de encendido. Aunque los motores hipergólicos más grandes en algunos vehículos de lanzamiento utilizan turbobombas , la mayoría de los motores hipergólicos se alimentan a presión. Se alimenta un gas, generalmente helio , a los tanques de propulsor bajo presión a través de una serie de válvulas de retención y de seguridad . Los propulsores a su vez fluyen a través de válvulas de control hacia la cámara de combustión; allí, su encendido instantáneo por contacto evita que una mezcla de propulsores sin reaccionar se acumule y luego se encienda en un arranque difícil potencialmente catastrófico .
Los combustibles hipergólicos más comunes, hidrazina , monometilhidrazina y dimetilhidrazina asimétrica , y oxidante, tetróxido de nitrógeno , son todos líquidos a temperaturas y presiones ordinarias. Por lo tanto, a veces se denominan propulsores líquidos almacenables . Son adecuados para su uso en misiones de naves espaciales que duren muchos años. La criogenicidad del hidrógeno líquido y el oxígeno líquido limita su uso práctico a los vehículos de lanzamiento espacial donde solo deben almacenarse brevemente.
Debido a que los cohetes hipergólicos no necesitan un sistema de encendido, pueden dispararse cualquier cantidad de veces simplemente abriendo y cerrando las válvulas del propulsor hasta que se agoten los propulsores y, por lo tanto, son especialmente adecuados para las maniobras de naves espaciales y están bien adaptados, aunque no exclusivamente, como etapas superiores. de lanzadores espaciales como el Delta II y el Ariane 5 , que deben realizar más de una quemadura. Sin embargo, existen motores de cohetes no hipergólicos reiniciables, notablemente la criogénico (oxígeno / hidrógeno) RL-10 en el Centaur y el J-2 en el Saturno V . El RP-1 / LOX Merlin en el Falcon 9 también se puede reiniciar.
Desventajas
En relación con su masa, los propulsores hipergólicos tradicionales son menos energéticos que las combinaciones de propulsores criogénicos como hidrógeno líquido / oxígeno líquido o metano líquido / oxígeno líquido. Por tanto, un vehículo de lanzamiento que utiliza propulsor hipergólico debe llevar una mayor masa de combustible que uno que utiliza estos combustibles criogénicos.
La corrosividad , toxicidad y carcinogenicidad de los hipergólicos tradicionales requieren costosas precauciones de seguridad.
Combinaciones hipergólicas
Común
Las combinaciones comunes de propulsores hipergólicos incluyen:
- Aerozine 50 + tetróxido de nitrógeno (NTO): ampliamente utilizado en los cohetes estadounidenses históricos, incluido el Titan II ; todos los motores del Módulo Lunar Apolo ; y el sistema de propulsión de servicio en el módulo de servicio Apollo . Aerozine 50 es una mezcla de 50% de UDMH y 50% de hidracina pura (N 2 H 4 ).
- Dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) + tetróxido de nitrógeno (NTO): utilizado con frecuencia por Roscosmos , como en el Proton (familia de cohetes) , y suministrado por ellos a Francia para la primera y segunda etapas del Ariane 1 (reemplazado por UH 25 ); Cohetes ISRO con motor Vikas .
- Monometilhidrazina (MMH) + tetróxido de nitrógeno (NTO) - motores más pequeños y propulsores de control de reacción: sistema de control de reacción del módulo de comando Apollo ; Transbordador espacial OMS y RCS; Ariane 5 EPS; Propulsores Draco utilizados por la nave espacial SpaceX Dragon .
- Tonka (TG-02, aprox.50% de trietilamina y 50% de xilidina ) normalmente oxidada con ácido nítrico o sus derivados de óxido nítrico anhidro (grupo AK-2x en la Unión Soviética), p. Ej. AK-20F (80% HNO 3 y 20% N 2 O 4 con inhibidor ).
- Trietilborano / trietilaluminio (TEA-TEB) + oxígeno líquido : se utiliza durante el proceso de encendido de algunos motores de cohetes que utilizan oxígeno líquido, utilizado por la familia de motores SpaceX Merlin y Rocketdyne F-1 .
Menos común y obsoleto
Los propulsores hipergólicos menos comunes y obsoletos incluyen:
- Hidrazina + ácido nítrico (tóxico pero estable),
- Anilina + ácido nítrico (inestable, explosivo), utilizado en el WAC Corporal
- Anilina + peróxido de hidrógeno (sensible al polvo, explosivo)
- Alcohol furfurílico + IRFNA (o ácido nítrico humeante rojo )
- Trementina + IRFNA (volado en francés Diamant A primera etapa)
- UDMH + IRFNA - Sistema de misiles lanza MGM-52
- T-Stoff (estabilizado> 80% de peróxido) + C-Stoff (metanol, hidracina, agua, catalizador) - Messerschmitt Me 163 avión de combate cohete alemán de la Segunda Guerra Mundial, para su motor Walter 109-509A
- Queroseno + ( peróxido de alta prueba + catalizador) - Gamma , con el peróxido primero descompuesto por un catalizador. El peróxido de hidrógeno frío y el queroseno no son hipergólicos, pero el peróxido de hidrógeno concentrado (conocido como peróxido de alta prueba o HTP) que se corre sobre un catalizador produce oxígeno libre y vapor a más de 700 ° C (1300 ° F) que es hipergólico con el queroseno.
- Tetrametiletilendiamina + IRFNA - Una alternativa menos tóxica y no mutagénica a la Hidrazina y sus derivados.
- Pentaborano (9) y diborano + tetróxido de nitrógeno : el motor cohete soviético RD-270M utilizó pentaborano (9) , un combustible llamado Zip , en combinación con tetróxido de nitrógeno .
- Trifluoruro de cloro (ClF3) + todos los combustibles conocidos: brevemente considerado como un oxidante dada su alta hipergolicidad con todos los combustibles estándar, pero en gran parte abandonado debido a la dificultad de manipular la sustancia de manera segura.
Tecnología relacionada
Las sustancias pirofóricas , que se encienden espontáneamente en presencia de aire, también se utilizan a veces como combustibles para cohetes o para encender otros combustibles. Por ejemplo, una mezcla de trietilborano y trietilaluminio (que son pirofóricos por separado y aún más juntos), se usó para arranques de motor en el SR-71 Blackbird y en los motores F-1 en el cohete Saturn V y se usa en el Merlin. motores de los cohetes SpaceX Falcon 9 .
Notas
Referencias
- Citas
- Bibliografía
- Clark, John (1972). ¡Encendido! Una historia informal de los propulsores de cohetes líquidos . Nuevo Brunswick, Nueva Jersey: Rutgers University Press. pag. 14. ISBN 0-8135-0725-1.
- Ingeniería moderna para el diseño de motores de cohetes propulsores líquidos , Huzel & Huang, pub. AIAA, 1992. ISBN 1-56347-013-6 .
- Historia de los motores de cohetes propulsores líquidos , G. Sutton, pub. AIAA 2005. ISBN 1-56347-649-5 .