Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros
Introducción a la Ing. Aeroespacial
Introducción
2 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Los motores cohete son sistemas de propulsión
autónomos. No dependen del medio exterior
El propulsante va almacenado abordo. Tipos: MC químicos: Propulsante líquido Propulsante sólido Propulsante híbrido MC eléctricos Termoeléctricos Electrostáticos Electromagnéticos MC nucleares
Motores Cohete I
Tipos de Cohetes
Químicos
Eléctricos Nucleares
Motores Cohete II
4 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Ventajas de los motores de cohete
Es el motor más potente en relación a su peso
No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente No requiere lubricación ni enfriamiento
Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos Su reacción es instantánea
No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de
miles de usos
No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento
No solo no contamina, sino que el cohete de peróxido de hidrógeno produce
oxígeno
Desventajas de los motores de cohete
Es el motor que más combustible consume
Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es
supersónico
En los motores de propergol sólido, una vez comenzada la reacción esta
Motores Cohete IV
6 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motores Cohete Químicos
MC de propulsante líquido
Propulsante
Monopropulsantes
Energía obtenida de la descomposición de una única sustancia
El más conocido es la hidracina (N2H4)
Aplicación principal a motores pequeños de control de actitud
Bipropulsantes
Energía obtenida de la reacción química entre dos sustancias: oxidante + combustible
Combinaciones típicas:
O2 – H2
O2- RP1 (Rocket Propellantt~derivado keroseno) O2 – Monometil Hidracina
10 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante líquido
Sistema de alimentación
Helio o nitrógeno 3 depósitos alta presión turbobombasMC de propulsante líquido
Sistema de alimentación - turbobombas
P&W RL10
SSME
MC de propulsante líquido
Sistema de alimentación
Motor P&W RL10 (Expander - III)
MC de propulsante líquido
MC de propulsante líquido
Sistema de alimentación
MC de propulsante líquido
Cámara de Combustión
Función: generar gas a alta temperatura y presión para
que pueda ser acelerado en la tobera
Componentes:
Matriz de inyectores (vaporización) Sistema de ignición
Cámara de reacción
En la combustión se libera una cantidad enorme de
energía
Potencia en plantas de vapor ~ 0.3 MW/m3 Potencia en aerorreactores ~ 300 MW/m3 Potencia en motores cohete ~ 30000 MW/m3
MC de propulsante líquido
Cámara de Combustión
MC de propulsante líquido
MC de propulsante líquido
Tobera de salida
Produce la expansión y aceleración de los gases
hasta velocidades supersónicas
Geometría convergente divergente
MC de propulsante sólido
Descripción general
El propulsante lo constituye una única mezcla entre oxidante y
combustible en almacenada en estado sólido.
No son reutilizables. Una vez iniciada la ignición, no se pueden
detener.
Diseños simples y de bajo coste Tipos:
Homogéneos: oxidante y combustible contenidos en una misma molécula
Nitroglicerina – Nitrocelulosa
Heterogéneos: oxidante embebido en una matriz de combustible.
Oxidantes: perclorato amónico, perclorato potásico, nitrato amónico, nitrato
potásico, …
Combustible: poliuretano
Aplicaciones: Misiles
Etapas iniciales de lanzadores (Space Shuttle - SRB) Cohetería Amateur: Azúcar + Nitrato potásico (Candy)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante sólido
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
MC de propulsante sólido
MC híbridos
Motores Cohete Eléctricos
MC eléctricos
Generalidades
Utilizan energía eléctrica para calentar y/o acelerar el
propulsante
Mayor autonomía: no necesitan eyectar grandes cantidades de propulsante para conseguir empuje
Se trata de la forma más eficiente de añadir energía al
propulsante en el espacio
Proporcionan empujes muy pequeños: ~1 N
En los MC químicos: empujes ~107 N
Aplicaciones fundamentales a la propulsión espacial Tipos:
Termoeléctricos Electrostáticos
MC termoeléctricos
Usan energía eléctrica para calentar el
propulsante, el cual es acelerado en una
tobera.
Propulsante almacenado en estado gaseoso
en un depósito presurizado:
Nitrógeno, hidrógeno, hidracina, amoniaco, …
Según el calentamiento, varios tipos:
Resistojet
Motor de arco eléctrico
MC termoeléctricos
Resistojet
Utilizan una resistencia eléctrica para calentar el propulsante
Calentamiento mediante arco eléctrico
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
hydrogen arcjet firing
ammonium arcjet firing diagram of an arcjet
MC electrostáticos
Motor de Iones
El propulsante es primeramente ionizado y después
acelerado mediante campos eléctricos
Arquitectura:
Generador de iones Acelerador
Neutralizador
Proceso de ionización:
Bombardeo con electrones
Contacto con filtro de Wolframio caliente
Propulsantes: cesio, mercurio, argón y xenón. Tienen
MC electrostáticos
Motor de Iones
MC electromagnéticos
Propulsante: fluido conductor eléctricamente
La aceleración del propulsante se genera mediante la fuerza
de Lorentz, creada a partir de campos electromagnéticos
Rail guns
Magnetoplasmadynamic (MPD) Thrusters Hall Thrusters
Pulsed Inductive Thrusters Pulsed Plasma Thrusters
Field Emission Electric Propulsion (FEEP) Thrusters Mass Drivers
Magnetoplasmadynamic Thuster Hall Effect Thruster
Pulsed Plasma Thuster
MC Termonucleares
El propulsante (típicamente hidrógeno) es calentado por un
reactor nuclear de fisión y eyectado por una tobera
Referencias