Articulo de referencia

Propulsor

Un propulsor es una masa que se expulsa o expande de tal manera que crea un empuje u otra fuerza motriz de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , e impulsa un veh...

Un propulsor es una masa que se expulsa o expande de tal manera que crea un empuje u otra fuerza motriz de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton , e impulsa un vehículo, proyectil o carga útil fluida . En los vehículos, el motor que expulsa el propulsor se denomina motor de reacción . Si bien técnicamente un propulsor es la masa de reacción utilizada para crear empuje, el término "propulsor" se usa a menudo para describir una sustancia que contiene tanto la masa de reacción como el combustible que almacena la energía utilizada para acelerar dicha masa. Por ejemplo, el término "propulsor" se usa frecuentemente en el diseño de cohetes químicos para describir un combustible/propulsor combinado, aunque los propulsores no deben confundirse con el combustible que utiliza un motor para producir la energía que expulsa el propulsor. Si bien los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se utilizan a menudo como masa de reacción para crear empuje, como en un motor de cohete químico, propulsor y combustible son dos conceptos distintos.

Los vehículos pueden usar propelentes para moverse expulsando un propelente hacia atrás, lo que crea una fuerza opuesta que impulsa el vehículo hacia adelante. Los proyectiles pueden usar propelentes que son gases en expansión que proporcionan la fuerza motriz para poner el proyectil en movimiento. Los aerosoles usan propelentes que son fluidos comprimidos de manera que, cuando se libera el propelente mediante una válvula, la energía almacenada por la compresión lo impulsa fuera del envase y, junto con el propelente, expulsa el aerosol. El fluido comprimido también puede usarse como propelente simple para vehículos, donde la energía potencial almacenada en el fluido comprimido se usa para expulsarlo como propelente. La energía almacenada en el fluido se agrega al sistema cuando se comprime, como en el caso del aire comprimido . La energía aplicada a la bomba o al sistema térmico que se usa para comprimir el aire se almacena hasta que se libera al permitir que escape el propelente. El fluido comprimido también puede utilizarse únicamente como almacenamiento de energía junto con alguna otra sustancia como propulsor, como en el caso de un cohete de agua , donde la energía almacenada en el aire comprimido es el combustible y el agua es el propulsor.

En las naves espaciales de propulsión eléctrica , la electricidad se utiliza para acelerar el propulsor. Se puede emplear la fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o la fuerza de Lorentz para expulsar iones negativos y electrones como propulsor. Los motores electrotérmicos utilizan la fuerza electromagnética para calentar gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoníaco) hasta formar un plasma y expulsarlo como propulsor. En el caso de un motor de cohete de resistencia , el propulsor comprimido se calienta mediante calentamiento resistivo a medida que se expulsa para generar mayor empuje.

En los cohetes y aeronaves químicas, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que se dirige a través de una tobera , generando así empuje. En los cohetes, la combustión del combustible produce gases de escape, que generalmente se expulsan a presión a través de una tobera como propulsor . Estos gases pueden ser gas , líquido , plasma o sólido . En aeronaves sin hélice, como los reactores , el propulsor suele ser el producto de la combustión del combustible con oxígeno atmosférico, de modo que el propulsor resultante tiene mayor masa que el combustible transportado.

Los cohetes de fotones propuestos utilizarían el momento relativista de los fotones para generar empuje. Aunque los fotones no tienen masa, pueden actuar como propulsores porque se mueven a velocidad relativista, es decir, a la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton resulta insuficiente para modelar la física involucrada, por lo que es necesario recurrir a la física relativista .

En los cohetes químicos, se utilizan reacciones químicas para producir energía que genera el movimiento de un fluido , el cual se emplea para expulsar los productos de dicha reacción (y a veces otras sustancias) como propulsores. Por ejemplo, en un motor simple de hidrógeno/oxígeno, el hidrógeno se quema (oxida) para crear H₂O , y la energía de la reacción química se utiliza para expulsar el agua (vapor) y generar el empuje. A menudo , en los motores de cohetes químicos, se incluye una sustancia de mayor masa molecular en el combustible para aumentar la masa de reacción.

El propulsor del cohete puede ser expulsado a través de una tobera de expansión como un gas frío, es decir, sin mezcla energética ni combustión, para proporcionar pequeños cambios de velocidad a las naves espaciales mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.

Para lograr una densidad útil para su almacenamiento, la mayoría de los propelentes se almacenan en estado sólido o líquido.

propulsores de vehículos

Un propulsor de cohete es una masa que se expulsa de un vehículo, como un cohete, para generar un empuje que, según la tercera ley de Newton , impulsa el vehículo hacia adelante. El motor que expulsa el propulsor se denomina motor de reacción . Si bien el término «propulsor» se usa frecuentemente en el diseño de cohetes químicos para describir una combinación de combustible y propulsor, no debe confundirse con el combustible que utiliza un motor para producir la energía que lo expulsa. Aunque los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se emplean a menudo como masa de reacción para generar el empuje, como en un motor de cohete químico, propulsor y combustible son dos conceptos distintos.

En las naves espaciales de propulsión eléctrica , la electricidad se utiliza para acelerar el propulsor. Se puede emplear la fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o la fuerza de Lorentz para expulsar iones negativos y electrones como propulsor. Los motores electrotérmicos utilizan la fuerza electromagnética para calentar gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoníaco) hasta formar un plasma y expulsarlo como propulsor. En el caso de un motor de cohete de resistencia , el propulsor comprimido se calienta mediante calentamiento resistivo a medida que se expulsa para generar mayor empuje.

En los cohetes y aeronaves químicas, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que se dirige a través de una tobera , generando así empuje. En los cohetes, la combustión del combustible produce gases de escape, que generalmente se expulsan a presión a través de una tobera como propulsor . Estos gases pueden ser gas , líquido , plasma o sólido . En aeronaves sin hélice, como los reactores , el propulsor suele ser el producto de la combustión del combustible con oxígeno atmosférico, de modo que el propulsor resultante tiene mayor masa que el combustible transportado.

El propulsor o combustible también puede ser simplemente un fluido comprimido, cuya energía potencial se utiliza para expulsarlo. Esta energía se añade al sistema al comprimir el fluido, como en el caso del aire comprimido. La energía aplicada a la bomba o al sistema térmico que comprime el aire se almacena hasta que se libera permitiendo la salida del propulsor. El fluido comprimido también puede utilizarse únicamente como almacenamiento de energía junto con otra sustancia como propulsor, como en un cohete de agua , donde la energía almacenada en el aire comprimido es el combustible y el agua es el propulsor.

Los cohetes de fotones propuestos utilizarían el momento relativista de los fotones para generar empuje. Aunque los fotones no tienen masa, pueden actuar como propulsores porque se mueven a velocidad relativista, es decir, a la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton resulta insuficiente para modelar la física involucrada, por lo que es necesario recurrir a la física relativista .

En los cohetes químicos, se utilizan reacciones químicas para producir energía que genera el movimiento de un fluido , el cual se emplea para expulsar los productos de dicha reacción (y a veces otras sustancias) como propulsores. Por ejemplo, en un motor simple de hidrógeno/oxígeno, el hidrógeno se quema (oxida) para crear H₂O , y la energía de la reacción química se utiliza para expulsar el agua (vapor) y generar el empuje. A menudo , en los motores de cohetes químicos, se incluye una sustancia de mayor masa molecular en el combustible para aumentar la masa de reacción.

El propulsor del cohete puede ser expulsado a través de una tobera de expansión como un gas frío, es decir, sin mezcla energética ni combustión, para proporcionar pequeños cambios de velocidad a las naves espaciales mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.

Para lograr una densidad útil para su almacenamiento, la mayoría de los propelentes se almacenan en estado sólido o líquido.

Los propulsores pueden energizarse mediante reacciones químicas para expulsar sólidos, líquidos o gases. La energía eléctrica puede utilizarse para expulsar gases, plasmas, iones, sólidos o líquidos. Los fotones pueden emplearse para generar empuje mediante momento relativista.

Impulsado químicamente

propulsor sólido

Los propulsores que explotan durante su funcionamiento tienen poca utilidad práctica en la actualidad, aunque se han realizado experimentos con motores de detonación pulsada . Asimismo, los compuestos de bishomocubano recientemente sintetizados se están considerando en la fase de investigación como propulsores sólidos y líquidos del futuro. [ 1 ] [ 2 ]

Grano

Los combustibles/propulsores sólidos se utilizan en forma de gránulos . Un gránulo es cualquier partícula individual de combustible/propulsor, independientemente de su tamaño o forma. La forma y el tamaño de un gránulo determinan el tiempo de combustión, la cantidad de gas y la tasa de energía producida por la combustión del combustible y, en consecuencia, el perfil de empuje en función del tiempo.

Existen tres tipos de quemaduras que se pueden lograr con diferentes granos.

Quemadura progresiva
Generalmente, se trata de una veta con múltiples perforaciones o un corte en forma de estrella en el centro, lo que proporciona una gran superficie.
quemadura degresiva
Generalmente se trata de un grano sólido con forma de cilindro o esfera.
Quemadura neutra
Generalmente se trata de una sola perforación; a medida que disminuye la superficie exterior, la superficie interior aumenta al mismo ritmo.
Composición

Existen cuatro tipos diferentes de composiciones de combustible/propelente sólido:

Combustible/propelente de base única
Un combustible/propelente de base única tiene como ingrediente explosivo principal la nitrocelulosa. Se utilizan estabilizadores y otros aditivos para controlar la estabilidad química y mejorar sus propiedades.
Combustible/propelente de doble base
Los combustibles/propulsores de doble base se componen de nitrocelulosa con nitroglicerina u otros explosivos de nitrato orgánico líquido. También se utilizan estabilizadores y otros aditivos. La nitroglicerina reduce el humo y aumenta la energía liberada. Estos combustibles/propulsores se utilizan en armas pequeñas, cañones, morteros y cohetes.
Combustible/propelente de triple base
Los combustibles/propulsores de triple base consisten en nitrocelulosa, nitroguanidina, nitroglicerina u otros explosivos líquidos de nitrato orgánico. Los combustibles/propulsores de triple base se utilizan en cañones .
Compuesto
Los materiales compuestos no utilizan nitrocelulosa, nitroglicerina, nitroguanidina ni ningún otro nitrato orgánico como componente principal. Generalmente, constan de un combustible como el aluminio metálico, un aglutinante combustible como el caucho sintético o el HTPB , y un oxidante como el perclorato de amonio. Los combustibles/propulsores compuestos se utilizan en grandes motores de cohetes. En algunas aplicaciones, como el misil balístico lanzado desde submarinos Trident II de EE. UU., se añade nitroglicerina al compuesto de aluminio y perclorato de amonio como plastificante energético.

propulsor líquido

En los cohetes se utilizan tres combinaciones principales de bipropelente líquido: oxígeno criogénico e hidrógeno, oxígeno criogénico e hidrocarburo, y propelentes almacenables. [ 3 ]

Sistema combinado criogénico de oxígeno e hidrógeno
Se utiliza en las etapas superiores y, en ocasiones, en las etapas propulsoras de los sistemas de lanzamiento espacial. Esta combinación no es tóxica. Proporciona un alto impulso específico y es ideal para misiones de alta velocidad.
Sistema de propulsión criogénica de oxígeno e hidrocarburos
Se utiliza en muchas etapas propulsoras de vehículos de lanzamiento espacial , así como en un número menor de segundas etapas . Esta combinación de combustible y oxidante tiene una alta densidad y, por lo tanto, permite un diseño de propulsor más compacto.
Combinaciones de propulsores almacenables
Se utilizan en casi todos los motores de cohete bipropelente de bajo empuje, auxiliares o de control de reacción , así como en algunos motores de cohete grandes para la primera y segunda etapa de misiles balísticos. Son de arranque instantáneo y aptos para almacenamiento a largo plazo.

Las combinaciones de propulsores utilizadas para cohetes de propulsión líquida incluyen:

Entre los monopropelentes comunes utilizados en motores de cohetes líquidos se incluyen:

  • Peróxido de hidrógeno
  • Hidracina
  • Ácido nítrico fumante rojo (RFNA)

Funciona con electricidad

Los motores reactivos de propulsión eléctrica utilizan una variedad de propelentes, generalmente ionizados, que incluyen iones atómicos, plasma, electrones o pequeñas gotas o partículas sólidas como propelente.

Electrostático

Si la aceleración se produce principalmente por la fuerza de Coulomb (es decir, la aplicación de un campo eléctrico estático en la dirección de la aceleración), el dispositivo se considera electrostático. Tipos de accionamientos electrostáticos y sus propulsores:

Electrotérmica

Se trata de motores que utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma que actúa como propulsor. Emplean una tobera para dirigir el propulsor energizado. La tobera misma puede estar compuesta simplemente por un campo magnético. Los gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoníaco) son los propulsores preferidos para este tipo de sistema. [ 6 ]

Electromagnético

Los propulsores electromagnéticos utilizan iones como propulsor, los cuales son acelerados por la fuerza de Lorentz o por campos magnéticos, cualquiera de los cuales se genera mediante electricidad:

Nuclear

Las reacciones nucleares pueden utilizarse para producir la energía necesaria para la expulsión de los propulsores. Se han utilizado o propuesto muchos tipos de reactores nucleares para generar electricidad para la propulsión eléctrica, como se describió anteriormente. La propulsión por pulsos nucleares utiliza una serie de explosiones nucleares para crear grandes cantidades de energía que expulsan los productos de la reacción nuclear como propulsor. Los cohetes termonucleares utilizan el calor de una reacción nuclear para calentar un propulsor. Generalmente, el propulsor es hidrógeno porque la fuerza es función de la energía, independientemente de la masa del propulsor, por lo que el propulsor más ligero (hidrógeno) produce el mayor impulso específico .

Fotónica

Un motor reactivo fotónico utiliza fotones como propulsor y su energía relativista discreta para producir empuje.

propulsores de proyectiles

Propulsores de fluidos comprimidos

Los propulsores de fluido o gas comprimido se presurizan físicamente mediante un compresor, en lugar de mediante una reacción química. Si bien las presiones y densidades de energía que se pueden alcanzar son insuficientes para cohetes y armas de fuego de alto rendimiento, resultan adecuadas para la mayoría de las aplicaciones. En estos casos, los fluidos comprimidos ofrecen una fuente de presión propulsora más sencilla, segura y práctica.

Un propulsor de fluido comprimido puede ser simplemente un gas presurizado, o una sustancia que es un gas a presión atmosférica, pero que se almacena a presión en estado líquido.

Propulsores de gas comprimido

En aplicaciones que requieren una gran cantidad de propelente, como el lavado a presión y la aerografía , el aire se puede presurizar con un compresor y utilizarse de inmediato. Además, una bomba manual para comprimir aire resulta práctica por su sencillez en aplicaciones de baja tecnología, como atomizadores , rociadores de plantas y cohetes de agua . Los ejemplos más simples de este sistema son los envases exprimibles para líquidos como el kétchup y el champú.

Sin embargo, los gases comprimidos no son prácticos como propelentes almacenados si no se licúan dentro del contenedor de almacenamiento, ya que se requieren presiones muy altas para almacenar una cantidad significativa de gas, y los cilindros de gas de alta presión y los reguladores de presión son caros y pesados.

Propulsores de gas licuado

Principio

Los propelentes de gas licuado son gases a presión atmosférica que se licúan a una presión moderada. Esta presión es lo suficientemente alta como para proporcionar una propulsión útil a la carga (por ejemplo, pintura en aerosol, desodorante, lubricante), pero lo suficientemente baja como para almacenarse en una lata metálica económica y no representar un riesgo para la seguridad en caso de rotura de la lata.

La mezcla de propulsor líquido y gaseoso dentro del contenedor mantiene una presión constante, denominada presión de vapor del líquido . A medida que se consume la carga útil, el propulsor se vaporiza para llenar el volumen interno del contenedor. Los líquidos suelen ser entre 500 y 1000 veces más densos que sus gases correspondientes a presión atmosférica; incluso a la mayor presión dentro del contenedor, solo se necesita una pequeña fracción de su volumen para expulsar la carga útil y reemplazarla con vapor.

La vaporización del propulsor líquido a gas requiere cierta energía, la entalpía de vaporización , que enfría el sistema. Esto suele ser insignificante, aunque a veces puede ser un efecto indeseado del uso intensivo (a medida que el sistema se enfría, la presión de vapor del propulsor disminuye). Sin embargo, en el caso de un aerosol congelante , este enfriamiento contribuye al efecto deseado (si bien los aerosoles congelantes también pueden contener otros componentes, como el cloroetano , con una presión de vapor menor pero una entalpía de vaporización mayor que la del propulsor).

compuestos propulsores

Los clorofluorocarbonos (CFC) se usaban con frecuencia como propelentes, [ 7 ] pero desde que el Protocolo de Montreal entró en vigor en 1989, se han sustituido en casi todos los países debido a los efectos negativos que tienen sobre la capa de ozono de la Tierra . Los sustitutos más comunes de los CFC son mezclas de hidrocarburos volátiles , típicamente propano , n- butano e isobutano . [ 8 ] También se utilizan el dimetil éter (DME) y el metil etil éter . Todos ellos tienen la desventaja de ser inflamables . El óxido nitroso y el dióxido de carbono también se utilizan como propelentes para la distribución de alimentos (por ejemplo, nata montada y aerosoles de cocina ). Los aerosoles medicinales, como los inhaladores para el asma, utilizan hidrofluoroalcanos (HFA): HFA 134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano) o HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano), o combinaciones de ambos. Más recientemente, los propelentes de hidrofluoroolefina líquida (HFO) se han adoptado con mayor frecuencia en los sistemas de aerosoles debido a su presión de vapor relativamente baja, su bajo potencial de calentamiento global (PCG) y su no inflamabilidad. [ 9 ]

Cargas útiles

La practicidad de los propelentes de gas licuado permite una amplia variedad de cargas útiles. Los aerosoles , en los que un líquido se expulsa en forma de rocío, incluyen pinturas, lubricantes, desengrasantes y recubrimientos protectores; desodorantes y otros productos de cuidado personal; y aceites de cocina. Algunas cargas útiles líquidas no se rocían debido a la menor presión del propelente y/o a su viscosidad, como ocurre con la crema batida y la crema o gel de afeitar. Las armas de baja potencia, como las pistolas de balines , las pistolas de paintball y las pistolas de airsoft , utilizan proyectiles sólidos. De manera singular, en el caso de un aire comprimido en aerosol ("aire comprimido"), la única carga útil es la velocidad del propio vapor del propelente.

Véase también

Referencias

  1. ^ Lal, Sohan; Rajkumar, Sundaram; Tara, Amit; Reshmi, Sasidharakurup; Chowdhury, Arindrajit; Namboothiri, Irishi NN (diciembre de 2014). "Bishomocubanos nitrosustituidos: síntesis, caracterización y aplicación como materiales energéticos" . Química: una revista asiática . 9 (12): 3533– 3541. doi : 10.1002/asia.201402607 . PMID 25314237 . 
  2. ^ Lal, Sohan; Mallick, encantador; Rajkumar, Sundaram; Oommen, Oommen P.; Reshmi, Sasidharakurup; Kumbhakarna, Neeraj; Chowdhury, Arindrajit; Namboothiri, irlandés (2015). "Síntesis y propiedades energéticas de bishomocubanos sustituidos con alto contenido de nitrógeno" . J. Mater. Química. A . 3 (44): 22118– 22128. doi : 10.1039/C5TA05380C .
  3. ^ Sutton, George; Biblarz, Óscar (2001). Elementos de propulsión de cohetes . Willey. ISBN 9781601190604OCLC 75193234 
  4. Hutchinson, Lee (14 de abril de 2013). "Nuevo motor de cohete F-1B mejora el diseño de la era Apolo con 1,8 M lbs de empuje" . ARS technica . Recuperado el 15 de abril de 2013. "La combinación de combustible y oxidante más eficiente que se usa comúnmente hoy en día para cohetes líquidos químicos es hidrógeno (combustible) y oxígeno (oxidante)", continuó Coates. Los dos elementos son relativamente simples y arden fácilmente cuando se combinan; y aún mejor, el resultado de su reacción es agua simple.
  5. Hutchinson, Lee (14 de abril de 2013). "Nuevo motor de cohete F-1B mejora el diseño de la era Apolo con 1,8 M lbs de empuje" . ARS technica . pág. 2. Recuperado el 15 de abril de 2013. El petróleo refinado no es el combustible más eficiente para la producción de empuje en cohetes, pero lo que le falta en producción de empuje lo compensa en densidad. Se necesita menos volumen de RP-1 para impartir la misma fuerza de empuje a un vehículo, y menos volumen equivale a un tamaño de etapa reducido. ... Una etapa de propulsión más pequeña significa mucha menos resistencia aerodinámica cuando el vehículo despega desde cerca del nivel del mar y acelera hacia arriba a través de la parte más densa (más espesa) de la atmósfera cerca de la tierra. El resultado de una etapa de propulsión más pequeña es que permite un ascenso más eficiente a través de la parte más espesa de la atmósfera, lo que ayuda a mejorar la masa neta elevada a la órbita. 
  6. "Motores de propulsión eléctrica nativos en la actualidad" (en ruso). Novosti Kosmonavtiki. 1999. Archivado del original el 6 de junio de 2011.
  7. "Incendios detenidos rápidamente por gas freón 'perezoso'" . Popular Mechanics . Vol. 87. Hearst Magazines . Abril de 1947. pág. 115. Consultado el 7 de junio de 2019. Se ha descubierto que los compuestos químicos de freón en refrigeradores domésticos, sistemas de refrigeración por aire y como portador de DDT en aerosoles insecticidas son más eficaces para extinguir incendios que el dióxido de carbono.  
  8. Yeoman, Amber M.; Lewis, Alastair C. (22 de abril de 2021). "Emisiones globales de COV de productos de aerosoles comprimidos" (PDF) . Elementa: Ciencia del Antropoceno . 9 (1): 00177. doi : 10.1525/elementa.2020.20.00177 . ISSN 2325-1026 . 
  9. "Boletín técnico del propulsor Solstice®" (PDF) . Honeywell . 2017.

Bibliografía

  • Clark, John D. (1972). ¡Ignición! Una historia informal de los propelentes líquidos para cohetes . Rutgers University Press. ISBN 0-8135-0725-1.
  • Propulsores de cohetes
  • Elementos de propulsión de cohetes, Sutton, George.P, Biblarz, Oscar 7ª Ed.
  • Comprensión y predicción de la erosión de los cañones de armas – División de Sistemas de Armas de la Organización de Ciencia y Tecnología de la Defensa, por Ian A. Johnston. Archivado el 10 de julio de 2013 en Wayback Machine.
  • CENTRO DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INGENIERÍA DE ARMAMENTO - Diseños mejorados de propulsores y cartuchos