MOTORES COHETEEspacialidad PA

Juan Manuel Tizón Pulido jm.tizon@upm.es

Departamento de Motopropulsión y Termofluidodinámica

Lección 2a: Funcionamiento y descripción de motores cohete

• Propulsión química– Propulsante sólido– Propulsante líquido– Propulsante hibrido

• Motores cohete termonucleares• Propulsión eléctrica

– Motores cohete electrotérmicos– Motores cohete electroestáticos– Motores cohete electromagnéticos

© J. M. Tizón

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Empuje

(N) Empuje/peso Impulso (s)

Fluido de trabajo Tmáx (K)

Estado y Aplicaciones

Sólidos 0-107 < 100 280 Prod. de comb. de prop. sólidos

3000

Utilización: JATO, misiles y misiones espaciales en general

Líquidos 0-107 < 100 500 Prod. de comb. de prop. sólidos

4400

Utilización: JATO, misiles y misiones espaciales en general

QU

ÍMIC

OS

Híbridos 0-106 < 100 350 Prod. de comb. de prop. sólidos

y líquidos

Utilización e I+D: JATO, misiles y misiones espaciales en general

Fisión < 105 (no pequeños)

< 30 1000 H2 3000

Investigación y Desarrollo: misiones de superficie e

interplanetarias

NU

CLE

ARES

TÉ

RM

ICO

S

Fusión ----- 10-1 3000 Investigación Básica: misiones de

superficie, interplanetarias e interestelares

PRO

PULS

IÓN

FLU

IDO

DIN

ÁM

ICA

Resisto-jet 0-.5 10-2 150-800 H2, N2H4, NH3 3000 Utilización: misiones de satélites

Arco eléctrico 0-1.0 10-4 - 10-2 280-1500 N2H4, H2, NH3 5800 Utilización: misiones de satélites

Electrostáticos1 0-20 510-4 - 210-3 1500-21500 Hg, Xe, Kr, Ar, Cs, Bi

Utilización e I+D: misiones de satélites e interplanetarias

SO

LAR/N

UCLE

AR

ELÉC

TRIC

OS

Electromagnéticos 0-50 300-6000 Ar, H2, Li, Teflón

Utilización e I+D: misiones de satélites e interplanetarias

Vela Solar 10-5 N/m2 210-4 Desarrollo: Cosmos 12

Motor Cohete Químico

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Motor cohete de propulsante sólidoEl motor cohete de propulsante solido es el sistema de propulsión más sencillo que se puede imaginar. Consiste enuna vasija de presión rellena de una mezcla de componentes sólidos energéticos, que reaccionan químicamente aritmo rápido produciendo gases a alta temperatura y presión que son expelidos por una tobera que los acelera yproduce la consiguiente fuerza de empuje.

Motor Cohete Químico

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Presurización activa(turboalimentado)

Presurización pasiva(gas inerte)

Motor cohete de propulsante líquidoEl motor cohete de propulsante líquido consiste en la utilización de sustancias (una, dos o, incluso, tres) en estadolíquido, almacenadas en depósitos independientes, que usualmente sufren una reacción exotérmica (combustión)que libera gran cantidad de energía en una cámara de combustión. El proceso produce gases a alta presión ytemperatura que se expansionan en una tobera convergente-divergente que produce altas velocidades de salida.Las posibilidades de suministro de los propulsantes son muy amplias, así como, los líquidos a emplear.

Motor Cohete Químico

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Motor cohete de propulsante hibridoEl motor cohete de propulsante híbrido consiste en la utilización de propulsantes sólidos y líquidos simultáneamente(usualmente reductor sólido con oxidante líquido) compartiendo las ventajas e inconvenientes de cada unos de lossistemas.

Shuttle

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Motor SSME

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NK‐33 y NK‐34

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Tecnología de los años 70’sEl NK-33 y NK-43 son motores de cohete diseñado y construido en la década de 1960 y principios de 1970 por la Oficina de Diseño Kuznetsov. Estaban destinados al malogrado cohete lunar soviético N-1. El motor NK-33 alcanza la más alta relación de empuje-a-peso de cualquier motor de cohete lanzabledesde la Tierra, logrando al mismo tiempo un impulso específico muy alto. NK-33 posee las más altas prestaciones de cualquier motor cohete alimentado por LOX / RP-1 jamás creado.El NK-43 es similar al NK-33, pero está diseñado para etapas superiores. Cuenta con una tobera más larga, optimizada para un funcionamiento a gran altitud, donde la presión del aire ambiente es baja o nula. Esto le da un mayor empuje e impulso específico, pero lo hace más largo y más pesado.En 2010 se probaron con éxito motores NK-33 para su uso en el cohete Antares de la Orbital Sciences.

IUS

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Motor cohete Híbrido

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Proyecto SpaceShipOneEn octubre de 2004, el SpaceShipOne consiguió alcanzar el espacio y ganar elpremio Ansari X-Prize, dotado con 10 millones de dólares, al proclamarse elprimer vehículo espacial tripulado de capital privado.Para poder volar, la nave es primero transportada hasta una altitud de 15 km porel avión White Knight. Al llegar a la altura designada, la SpaceShipOne se sueltadel White Knight; unos segundos después enciende su motor, ascendiendo enpocos minutos hasta los 100 km.Antes de iniciar el descenso, la nave pliega sus alas de forma que presenta unperfil aerodinámico estable hasta que llega a cotas bajas, donde devuelve las alasa su forma original y planea hasta aterrizar en un aeropuerto convencional.

Motor cohete del SpaceShipOne

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Motor Cohete HíbridoLa nave SpaceShipOne es una nave espacial suborbitalcon espacio para un tripulante con dos pasajeros.Posee un motor de cohete que consume una mezcla decombustible sólido (HTPB) y óxido nitroso (N2O).El sistema combina la ventaja de poder modular elempuje (incluso articulando paradas y arranques) conla simplicidad y compacidad del sistema, ya que, no esnecesario sistema de presurización al tener el oxidonitroso una presión de vapor a temperatura ambientede 70 bares. A cambio las actuaciones propulsivas deeste reductor y oxidante son relativamente modestas.

Propulsión Química

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PROPULSANTE SÓLIDO• Concepto simple (diseño, precio, etc..).• Alta fiabilidad.• Fácil operación.• Fácil almacenaje.• Fácilmente escalable a altos empujes.• Densidad de energía muy alta.

• Tiempo de combustión limitado (2 min.).• Flexibilidad operacional limitada (curva de empuje fija).• Imposibilidad de realizar pruebas funcionales.• Imposibilidad de parada por seguridad.

PROPULSANTE LÍQUIDO• Sistema complejo (diseño, precio, etc..).• Buena fiabilidad (aunque alta complejidad).• Difícil operación (sobre todo los criogénicos).• Almacenaje comprometido.• Difícilmente escalable a altos empujes (empaquetamiento).• Alta disponibilidad de propulsantes de alta energía.

• Tiempo de combustión alto.• Flexibilidad operacional alta (arranques y paradas).• Posibilidad de realizar pruebas funcionales pre-vuelo.• Posibilidad de parada por seguridad.

J-2 SSMEPatriotIUS Ares

Motores cohete termonucleares

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DescripciónLos motores cohete termonucleares funcionan utilizando el núcleo del reactor nuclear como fuente de energíatérmica para calentar el propulsante (hidrogeno) que posteriormente se expansiona en una tobera convergente-divergente obteniendo altas velocidades de salida que proporcionan impulsos específicos de hasta 925 s.

Motores cohete termonucleares

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Evolución históricaEl proyecto NERVA comenzó en 1955 cuando la Comisión de la Energía Atómica americana y los Laboratorios deLos Álamos querían desarrollar un misil militar propulsado por energía nuclear. La creación de la NASA en 1958propicio que el desarrollo se trasladara a Aerojet y Westinghouse. Durante finales de lo 60´s y principios de los70´s se trabajó en muchos proyectos (KIWI-A, KIWI-B, Phoebus, …) pero la administración americana recortópresupuestos en este área.Desde entonces se han sucedido diversos proyectos que no han llegado a realizaciones practicas. En laactualidad el uso de la energía nuclear se contempla como fuente de potencia eléctrica para alimentaraceleradores de iones.

Proyecto NERVA Proyecto BNTR (Bimodal Nuclear Thermal Rocket)

Electrotérmicos

ResistojetSistemas en los que por medio de una resistencia eléctrica se calienta el fluido de trabajo que luego es expandido en una tobera convencional

Arc-jetEl fluido de trabajo se calienta mediante un arco eléctrico y posteriormente es acelerado en una tobera fluidodinámica

Electroestáticos

Acelerador iónicoDespués de producir la ionización del propulsantes esta es acelerado mediante campos eléctricos producidos entre rejillas a diferentes potenciales.

Field Emision Electric Propulsion (Feed)Estos sistemas funcionan mediante electro-atomización de fluidos coloidales y aceleración electroestática

Electromagnéticos

Motor de efecto HallEste acelerador de iones emplea la corriente de Hall para el proceso de ionización

Pulse Plasma Thruster (PPT)Este tipo de propulsores sublima teflón mediante una descarga eléctrica y el plasma formado es acelerado en un campo magnético

Propulsión Eléctrica

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Electromagnéticos

VASIRMEste motor produce plasma por medio de una antena de radio frecuencia que luego se acelera en una novedosa tobera magnética

MPDLos aceleradores magneto-plasma-dinámicos producen un chorro de plasma mediante fuertes diferencias de potencial que luego se acelera por medio campos magnéticos externos y/o autoinducidos.

Sistemas de Propulsión (TRL>4)

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Motor Cohete Electrotérmico

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Arcjet (TRL = 7,8)Los motores cohete de arco eléctrico utilizaneste sistema para producir un intensocalentamiento del propulsante (usualmentehidrogeno).

Resistojet (TRL = 8)Estos propulsores calientan el fluido de trabajo mediante resistencias eléctricas

Motor Cohete Electroestático

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Acelerador de iones (TRL = 9)Los motores cohete electroestáticos funcionan acelerandoipropulsante ionizado mediante la intervención de camposelectroestáticos. Resulta imprescindible contar con unsistema de producción de iones y un sistema deneutralización del chorro de salida que impida la atracciónde estos por el vehículo así como la adquisición de cargaeléctrica neta.

Harold R. Kaufman fue un físico norteamericano quedurante los años 60’s desarrolló el sistema degeneración de iones por bombardeo en NACA quedesembocó en las primeras pruebas de una aceleradorelectrostático de iones en el espacio en las misioneSERT I y SERT II. Posteriormente, Kaufman continuósus investigaciones en la generación de iones en elámbito privado.

Motor Cohete Electrostático (9)

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Acelerador de iones (TRL = 9)En los últimos años se a prestado especial interés en el desarrollo demotores electrostáticos debido a las altas prestaciones que presentan(alto impulso específico).Existen una gran cantidad de proyectos recientes, realizados o encurso, que implican el desarrollo de aceleradores de iones:

• (NASA) Solar electric propulsion Technology Application Readiness (NSTAR, sonda DeepSpace, 1998)

• NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT, 2003)• Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)• (NASA) High Power Electric Propulsion (HiPEP)• (EADS) Radio-Frequency Ion Thruster (RIT)• (ESA-ANU) Dual-Stage 4-Grid (DS4G, 2006)

Estos proyectos abordan el desarrollo de aceleradores de ionesmejorando la vida, aumentando la potencia o ensayandoconfiguraciones avanzadas.

DS4G

Motor Cohete Electroestático

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Field Emission Electric Propulsion (FEEP) (TRL = 8)El funcionamiento se basa en la atomización electrostática de aceites dieléctricos de muy baja presión de vapor, cesio yglicerina. La diferencia de potencial entre la aguja y la rejilla de aceleración es de 3 a 15 kV, produciéndose la ionizacióncuando el campo eléctrico local alcanza un valor umbral típico. Motores muy eficientes (rendimientos altos de hasta95%) con alto impulso especifico (entre 4000 s a 6000s) y muy bajo empuje (inferior al milinewton por cada centímetrode profundidad del motor).

Motor Cohete Electromagnético

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STP: Stationary Plasma Thruster (TRL = 8-9)El motor del efecto de Hall es un tipo de acelerador de iones en el cual el propulsante es acelerado por un campoeléctrico en una descarga del plasma con un campo magnético radial. También conocido simplemente comopropulsores de plasma, se utiliza el efecto Hall para atrapar electrones que son utilizados para ionizar el propulsante,y neutraliza los iones en el penacho de salida.Se estudiaron independientemente en los E.E.U.U. y la Unión Soviética en los años 50 y los años 60, aunque sudesarrollo tecnológico como motor tubo lugar solo en la URSS (unos 200 motores han volado en los satélitessoviéticos/rusos en los últimos treinta años). Utilizados, principalmente para tareas de mantenimiento de orbita yorientación de satélites, en la actualidad se trabaja en su escalado para desarrollar sistemas de propulsión principal.

Motor Cohete Electromagnético

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VSIMR: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (TRL = 5)El motor VASIMR fue ideado por el costarricense y ex-astronauta de la NASA Franking Chang Díaz en 1979. Setreta de un motor de gran potencia (hasta 10 MW) que tiene la posibilidad de modular el impulso especifico (entre3000 s. y 30000s). El funcionamiento se basa en la ionización del hidrogeno mediante radiofrecuencia (antenahelicon) su recalentamiento mediante el uso de microondas a temperaturas extremas y, finalmente, el plasma esacelerado en una tobera magnética cuyo funcionamiento es análogo al de una tobera convencional.La tobera magnética conduce el plasma mediante una configuración de líneas de campo magnético a través de unasección convergente-divergente que produce su aceleración.

Motor Cohete Electromagnético

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Pulse Plasma Thruster (TRL = 7-8 ?)En la figura aparece uno de los motores PPT para el satélite de observación terrestre EO-1 (año 2000) con empujes en elrango del 0.75-1,20 mN dedicados a tareas de posicionamiento. El impulso específico es de 1150 segundos y aunque larelación empuje/peso es deficiente (0,1 mN/kg) la precisión alcanzada en los pulsos (del orden del micronewton cada uno)es muy alta, permitiendo maniobras muy precisas.Los Motores PPT empezaron a concebirse a finales de los años 50´s entrando en servicio muy tempranamente y utilizadosen la actualidad bajo condiciones de alta fiabilidad.

Motor Cohete Electromagnético

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MPD: Magneto Plasma Dynamics (TRL = 6)El esquema de funcionamiento de un motor MPD es similar al motorde arco eléctrico pero con tensiones de funcionamiento muchomayores que producen corrientes tan intensas que, incluso, elcampo magnético autoinducido puede jugar un papel importante enel proceso de aceleración del plasma impulsado por un campomagnético exterior.