Propergoles Combustibles para cohetes Tipos y Componentes



Propergoles, Combustibles para Cohetes
Tipos y Componentes

Las aeronaves que operan dentro de la atmósfera utilizan considerablemente el aire, puesto que lo necesitan como sustentación para sus alas, queman el combustible con su oxígeno y, si poseen hélices, requieren aire a cierta presión para que éstas puedan «aferrarse».

Como por encima de la atmósfera terrestre hay tan pocas moléculas de gas, los métodos convencionales de propulsión resultan insuficientes, al par que la falta de oxígeno obliga a que las aeronaves lleven consigo su provisión de él, ya sea en forma del elemento propiamente dicho, en estado líquido, o en la forma de algún compuesto oxidante.

Se han inventado varios tipos de combustibles y de fuentes de oxígeno para la propulsión de cohetes y otros vehículos espaciales, pero el principio fundamental de toda propulsión de cohete es el mismo en todos los casos, o sea, el principio de acción y reacción de la dinámica.

Al quemarse el combustible, ya sea sólido o líquido, crea enormes cantidades de gases calientes, que se encuentran a gran presión, debido al reducido tamaño de la cámara de combustión. Los gases que escapan por la parte de atrás del motor proveen el empuje necesario para impulsarlo hacia adelante. Los estadounidenses parecen preferir los propergoles líquidos. Entre las combinaciones que han utilizado con buen éxito está la de hidrógeno y oxígeno líquido, que al combinarse producen vapor. También emplearon el oxígeno líquido como oxidante de-combustibles tales como el queroseno y el amoníaco.

La combustión del queroseno produce vapor y bióxido de carbono. Como alternativa, en lugar de oxigeno han usado a veces el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), que se descompone en oxígeno y vapor. En otros cohetes, la combinación era dimetil-hidrazina, oxidada mediante ácido nítrico.

Cuando se emplean propergoles líquidos, el combustible y el oxidante deben ser mantenidos en recipientes separados. Los propergoles sólidos, por el contrario, deben ser mezclados antes de formar las «tortas» de combustible compacto. Los ingredientes típicos de una de esas tortas pueden .ser: perclorato de aluminio (agente oxidante), el ácido acrílico polibutadieno y polvo de aluminio (combustible), más un agente que tiene la función de endurecer la torta luego que ésta ha sido formada en el molde.

Las proporciones de agente oxidante y combustible se disponen de manera que siempre haya un ligero exceso de agente oxidante. Para esto hay dos razones: si la cantidad de agente oxidante es apenas la justa para la combustión completa, existe un serio riesgo de explosión, y, además, el aumento de presión que sufre el agente oxidante excedente, debido al calor de la combustión, se añade al aumento total de presión dentro de la cámara de combustión del motor cohete.

DISTINTAS FUENTES DE ENERGÍA PROPULSORA
Se obtiene el máximo aprovechamiento de la energía disponible por el combustible de un cohete, cuando la velocidad de salida de los gases de la combustión iguala a la velocidad con que el cohete se mueve hacia adelante. Por ello resulta conveniente comunicarle la energía inicial mediante algún medio exterior, tal como podría ser un poderoso motor, que le proporciona la energía de movimiento, o cinética, requerida para que su velocidad alcance un valor aproximado al de salida de los gases de combustión.

El principio de acción y reacción, en el cual se fundamenta la propulsión de cohetes, puede aplicarse no sólo con combustibles sólidos o líquidos convencionales, sino que podríanlos pensar en energía obtenible de distintos modos. En efecto, sabemos que cargas eléctricas, colocadas en un punto del espacio donde exista un campo eléctrico, experimentan fuerzas de naturaleza eléctrica. En los aceleradores modernos de partículas cargadas se obtienen valores elevados de la velocidad de las mismas. Éste sería un método apropiado para obtener la energía necesaria para la impulsión del cohete.

Las partículas podrían ser aceleradas mediante poderosos campos eléctricos. Dado que la materia es una dura concentración de energía, tal como surge de la teoría de la relatividad de la física moderna, fácil es ver que un combustible como éste ocuparía poco espacio, pero en cambio serían indispensables complejos aparatos construidos por la tecnología más avanzada.



Los cohetes de propergol sólido fueron conocidos desde hace mucho tiempo, pero sólo se volvieron a emplear hace muy pocos años. Ello se debió a la simplicidad del sistema y a la facilidad de almacenamiento. Los trabajos de investigación con combustibles sólidos son, en la actualidad, constantes.

cohete propergoles En los Estados Unidos se ha desarrollado, en la década de los 70, un combustible sólido que tiene la consistencia del caucho. Es el thiokol, que se fabrica en base a un derivado del caucho sintético líquido, mezclado con un oxidante sólido. El rendimiento potencial de un combustible depende de la eficacia de la oxidación.

Una idea de la bondad del combustible la da el impulso específico. Utilizando ácido nítrico como oxidante y anilina como combustible, se obtiene un empuje específico de 221, mientras que empleando oxígeno como oxidante y alcohol etílico como combustible, se obtiene un empuje específico de 242.

La fluorina como oxidante y el amoníaco como combustible dan una mezcla combustible de empuje específico igual a 288. El ozono y el hidrógeno, como oxidante y combustible respectivamente, dan una mezcla de empuje específico igual a 369.

La fluorina es uno de los agentes oxidantes más eficaces que se conocen. Es muy probable, con todo, que se mantenga, secreto el conocimiento de algún oxidante de rendimiento superior del tipo del ozono. La fluorina da un buen rendimiento oxidante, sobre todo con fluorita, pero el costo de esta mezcla es actualmente muy elevado. El ozono tiene un mayor poder oxidante que la fluorina, pero ofrece el inconveniente de que en estado puro manifiesta una marcada tendencia a descomponerse explosivamente.

El trimetilo es un compuesto de aluminio, fluido y de poder inflamable sumamente elevado. Su combustión es espontánea al ponerse en contacto con el aire. Su aplicación a la propulsión de cohetes no se halla desarrollada; mas puede constituir un elemento útil para el futuro.

Una fuente de energía hasta ahora prácticamente desconocida está en los radicales libres, que no son más que fragmentos moleculares libres de carga eléctrica, que se forman durante una reacción exotérmica. Las regiones superiores de la atmósfera terrestre son una fuente prácticamente inagotable de estos radicales libres, los cuales son originados por la radiación solar. Los radicales libres son el resultado de un proceso en que absorben energía. Luego pueden suministrar esa energía para la propulsión.

Recientemente se han realizado varios trabajos de experimentación e investigación. La tendencia de esos trabajos es la de aislar, los radicales libres para aprovecharlos como combustibles. Han sido aislados los radicales libres del vapor de agua, del amoníaco, del hidrógeno y del nitrógeno.

El empuje específico de los combustibles basados en los radicales libres resulta muy superior al de los elementos normales. Así, por ejemplo, en el caso del hidrógeno, si se fabrica un combustible con hidrógeno bajo la forma de radical libre, se obtiene un combustible cuyo empuje específico es cinco a seis veces superior al de los convencionales. De este modo, un cohete, propulsado con combustibles basados en los radicales libres, tendrá un alcance de unas treinta veces el del tipo común. No obstante estas ventajas de los radicales libres, en cuanto a concentración de energía, no han salido del campo teórico, debido a que es necesaria la solución de otros problemas muy complicados, tales como producción grande y barata, almacenamiento, control y estabilidad.

Empleando el radical de amoníaco con el hidrógeno líquido, se eleva a 7 u 8 veces el alcance de los cohetes comunes. La propulsión iónica es sin duda el medio más adecuado para impulsar las naves espaciales. En este procedimiento, la fuente de iones apropiados es el cesio.



Los iones de este elemento, acelerados en una superficie incandescente de tungsteno, y colocados bajo la acción de un potencial de unos 30.000 voltios, pueden alcanzar una velocidad de unos 220.000 m/seg., que es la requerida para que el impulso específico resulte elevado.

El berilio es un elemento que posee un elevado poder calorífico por unidad de peso, pero es muy tóxico, y se lo encuentra en la naturaleza en cantidades relativamente pequeñas. Por otro lado, el litio, que es un metal alcalino, y el boro, metaloide, permiten combinaciones con el hidrógeno, llamadas híbridos; estos son las bases esenciales de una gran parte de los supercombustibles empleados en la cohetería moderna. El boro no quema a temperaturas inferiores a los 700° C.

Los hídridos, tales como el de caborano, el pentaborano y el diborano, están destinados a reemplazar al carbono en sus combinaciones con el hidrógeno. El diborano es un gas tóxico, muy inestable en presencia de humedad o del aire. Los procesos tecnológicos requeridos para obtener combustibles basados en boro son en general complicados. En la práctica, se logra estabilizar los hídridos y eliminar su toxicidad, alcalinizándolos.

En Estados Unidos, el pentaborano alcalinizado es conocido bajo el nombre de Hi-Cal2 y Hef2, y el de caborano por Hi-Cal3 y Hef3. Estos combustibles son empleados en el desarrollo del avión cohete X-15.

Los combustibles que emplean borano en su composición química poseen un gran impulso específico, pero tienen una limitación. En efecto, sólo pueden usarse en los casos en que se dispone de aire.

Fuente Consultada: Historia de la Astronáutica – Ediciones Riego S.A.

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