Ciclo de expansión

El ciclo de expansión es un ciclo de potencia de un motor de cohete bipropelente . En este ciclo, el combustible se utiliza para enfriar la cámara de combustión del motor, captando calor y cambiando de fase. El combustible, ahora calentado y gaseoso, impulsa la turbina que impulsa las bombas de combustible y oxidante del motor antes de inyectarse en la cámara de combustión y quemarse.

Debido al cambio de fase necesario, el ciclo de expansión está limitado por la ley del cubo-cuadrado . Cuando se escala una boquilla en forma de campana, el área de superficie de la boquilla con la que calentar el combustible aumenta con el cuadrado del radio, pero el volumen de combustible a calentar aumenta con el cubo del radio. Por lo tanto, más allá de aproximadamente 3000 kN (700 000 lbf) de empuje, ya no hay suficiente área de boquilla para calentar suficiente combustible para impulsar las turbinas y, por lo tanto, las bombas de combustible. ^[1] Se pueden lograr niveles de empuje más altos utilizando un ciclo de expansión de derivación donde una parte del combustible evita los conductos de enfriamiento de la turbina o la cámara de empuje y va directamente al inyector de la cámara principal. Los motores aerospike no toroidales no están sujetos a las limitaciones de la ley del cubo-cuadrado porque la forma lineal del motor no se escala isométricamente: el flujo de combustible y el área de la boquilla se escalan linealmente con el ancho del motor. Todos los motores de ciclo expansor necesitan utilizar un combustible criogénico como hidrógeno líquido , metano líquido o propano líquido que alcanza fácilmente su punto de ebullición .

Algunos motores de ciclo expansor pueden utilizar un generador de gas de algún tipo para arrancar la turbina y hacer funcionar el motor hasta que el aporte de calor de la cámara de empuje y el faldón de la boquilla aumente a medida que aumenta la presión de la cámara.

Algunos ejemplos de un motor de ciclo expansor son el Aerojet Rocketdyne RL10 y el motor Vinci para Ariane 6. [ ^2]

Este ciclo operativo es una modificación del ciclo de expansión tradicional. En el ciclo de purga (o abierto), en lugar de enviar todo el propulsor calentado a través de la turbina y enviarlo de regreso para que se queme, solo una pequeña parte del propulsor calentado se utiliza para impulsar la turbina y luego se purga, siendo expulsado al exterior sin pasar por la cámara de combustión. La otra parte se inyecta en la cámara de combustión. La purga del escape de la turbina permite una mayor eficiencia de la turbobomba al disminuir la contrapresión y maximizar la caída de presión a través de la turbina. En comparación con un ciclo de expansión estándar, esto permite un mayor empuje del motor a costa de la eficiencia al descargar el escape de la turbina. ^{[3] [4]}

El Mitsubishi LE-5A fue el primer motor de ciclo de purga de expansor del mundo que se puso en servicio operativo. ^[5] El Mitsubishi LE-9 es el primer motor de ciclo de purga de expansor de primera etapa del mundo. ^[6]

Blue Origin eligió el ciclo de purga del expansor para el motor BE-3U utilizado en la etapa superior de su vehículo de lanzamiento New Glenn . ^[7]

De manera similar a como la combustión por etapas se puede implementar por separado en el oxidante y el combustible en el ciclo de flujo completo , el ciclo de expansión se puede implementar en dos rutas separadas como el ciclo de expansión dual . El uso de gases calientes de la misma química que el líquido para el lado de la turbina y la bomba de las turbobombas elimina la necesidad de purgas y algunos modos de falla. Además, cuando la densidad del combustible y el oxidante es significativamente diferente, como es en el caso de H ₂ / LOX , las velocidades óptimas de la turbobomba difieren tanto que necesitan una caja de cambios entre las bombas de combustible y oxidante. ^{[8] [9]} El uso del ciclo de expansión dual, con turbinas separadas, elimina este equipo propenso a fallas. ^[9]

El ciclo de doble expansor se puede implementar ya sea utilizando secciones separadas en el sistema de enfriamiento regenerativo para el combustible y el oxidante, o utilizando un solo fluido para enfriar y un intercambiador de calor para hervir el segundo fluido. En el primer caso, por ejemplo, se podría utilizar el combustible para enfriar la cámara de combustión y el oxidante para enfriar la boquilla . En el segundo caso, se podría utilizar el combustible para enfriar todo el motor y un intercambiador de calor para hervir el oxidante. ^[9]

El ciclo de expansión tiene una serie de ventajas sobre otros diseños: ^{[ cita requerida ]}

Baja temperatura

Una vez que se han convertido en gas, los propulsores suelen estar a temperatura ambiente y causan muy pocos o ningún daño a la turbina, lo que permite reutilizar el motor. Por el contrario, los motores de combustión por etapas o con generador de gas hacen funcionar sus turbinas a alta temperatura.

Tolerancia

Durante el desarrollo del RL10, los ingenieros estaban preocupados por la posibilidad de que la espuma aislante montada en el interior del tanque pudiera romperse y dañar el motor. Probaron esto colocando espuma suelta en un tanque de combustible y haciéndola pasar por el motor. El RL10 la destruyó sin problemas ni degradación notable en el rendimiento. Los generadores de gas convencionales son en la práctica motores de cohetes en miniatura, con toda la complejidad que eso implica. El bloqueo incluso de una pequeña parte de un generador de gas puede provocar un punto caliente, lo que puede causar una pérdida violenta del motor. El uso de la campana del motor como un "generador de gas" también lo hace muy tolerante a la contaminación del combustible debido a los canales de flujo de combustible utilizados.

Seguridad inherente

Debido a que un motor de ciclo expansor de tipo campana tiene un empuje limitado, se puede diseñar fácilmente para que soporte sus condiciones de empuje máximo. En otros tipos de motores, una válvula de combustible atascada o un problema similar puede provocar que el empuje del motor se salga de control debido a sistemas de retroalimentación no deseados. Otros tipos de motores requieren controladores mecánicos o electrónicos complejos para garantizar que esto no suceda. Los ciclos expansores son, por diseño, incapaces de funcionar mal de esa manera.

Mayor rendimiento de vacío

En comparación con un motor alimentado a presión , los motores alimentados por bomba y, por lo tanto, los motores de ciclo de expansión tienen presiones más altas en la cámara de combustión. Las presiones más altas en la cámara de combustión permiten un área de garganta reducida A _th y, por lo tanto, conducen a una relación de expansión mayor, e = A _e /A _th para un área de salida de boquilla idéntica A _e , lo que en última instancia conduce a un mayor rendimiento de vacío.

Los motores de ciclo expansor incluyen lo siguiente:

• Dique de cohetes RL10 ^[10]
• Pratt & Whitney RL60
• Grupo Ariane Vinci
• CADB y Pratt & Whitney RD-0146
• Chino YF-75D
• Mitsubishi Heavy Industries LE-5A / 5B
• Mitsubishi Heavy Industries LE-9
• Aerojet Rocketdyne y MHI MARC-60 (MB-60)
• Blue Origin BE-3U y BE-7
• Avión M10
• Motor térmico nuclear del cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO)

Presupuesto

	RL10 B-2	BE-3U	Vinci	YF-75D	YF-79	RD-0146 D	LE-5B	LE-9
País natal	Estados Unidos	Estados Unidos	Francia	República Popular China	República Popular China	Rusia	Japón	Japón
Ciclo	Expansor	Ciclo de purga del expansor	Expansor	Expansor	Expansor	Expansor	Ciclo de purga del expansor, expansor de cámara	Ciclo de purga del expansor
Empuje, vacío	110 kN (25 000 lbf)	769 kN (173 000 lbf) [11]	180 kN (40 000 lbf)	88,36 kN (19.860 lbf)	250 kN (56.200 lbf)	68,6 kN (15 400 lbf)	137,2 kN (30.840 lbf)	1471 kN (330 000 lbf) [12]
Proporción de mezcla	5.88		5.8	6.0	6.0		5	5.9
Relación de boquillas	280		240	80	160		110	37
Yo sp , vacío(s)	462 [13]	445 [11]	457	442.6	455.2	470	447	426
Presión de la cámara (MPa)	4.412		6.1	4.1	7.0	5.9	3.58	10.0
LH 2 TP (rpm)			65.000	98.180			52.000
Presión de oxígeno disuelto (rpm)							18.000
Longitud (m)	4.14		4.2			3.358	2,79	3.8
Masa seca (kg)	277		280	265			285	2400

• Ciclo generador de gas
• Ciclo de desconexión de la combustión
• Ciclo de combustión por etapas
• Motor alimentado a presión

• Ciclos de potencia de los cohetes