Monopropelente
Single-part rocket propellant

Los monopropelentes [1] son ​​propelentes que consisten en sustancias químicas que liberan energía a través de la descomposición química exotérmica. La energía de enlace molecular del monopropelente se libera normalmente a través del uso de un catalizador. Esto puede contrastarse con los bipropelentes que liberan energía a través de la reacción química entre un oxidante y un combustible. Si bien son estables en condiciones de almacenamiento definidas, los monopropelentes se descomponen muy rápidamente en ciertas otras condiciones para producir un gran volumen de sus propios gases energéticos (calientes) para la realización de trabajo mecánico . Aunque los deflagrantes sólidos como la nitrocelulosa , el propulsor más comúnmente utilizado en armas de fuego, podrían considerarse monopropelentes, el término generalmente se reserva para líquidos en la literatura de ingeniería. [2]

Usos

El uso más común de monopropulsantes [3] es en motores de cohetes monopropulsantes de bajo impulso , [4] como propulsores de control de reacción , siendo el propulsor habitual la hidracina [5] [6] que generalmente se descompone por exposición a un lecho catalizador de iridio [7] [8] (la hidracina se precalienta para mantener el reactivo líquido). Esta descomposición produce el chorro deseado de gas caliente y, por lo tanto, el empuje . El peróxido de hidrógeno [9] se ha utilizado como fuente de energía para bombas de tanque de propulsor en cohetes como el alemán WWII V-2 y el estadounidense Redstone . [10] El peróxido de hidrógeno pasa a través de una malla catalizadora de platino , [9] o entra en contacto con perlas de cerámica impregnadas de dióxido de manganeso , o se coinyecta una solución de permanganato Z-Stoff , lo que hace que el peróxido de hidrógeno se descomponga en vapor caliente y oxígeno.

Los monopropulsores también se utilizan en algunos sistemas de propulsión independientes del aire (AIP) para "alimentar" motores alternativos o de turbina en entornos en los que no hay oxígeno libre disponible. Las armas destinadas principalmente al combate entre submarinos de propulsión nuclear generalmente entran en esta categoría. El propulsor más comúnmente utilizado en este caso es el dinitrato de propilenglicol estabilizado ( PGDN ), a menudo denominado " combustible Otto ". Un posible uso futuro de los monopropulsores no directamente relacionado con la propulsión es en plantas de energía compactas de alta intensidad para entornos acuáticos o exoatmosféricos.

Investigación en breve

En los años 1950 y 1960 se trabajó mucho en los Estados Unidos para intentar encontrar monopropulsores mejores y más energéticos. En su mayoría, los investigadores llegaron a la conclusión de que cualquier sustancia que contuviera suficiente energía para competir con los bipropulsores sería demasiado inestable para manipularla con seguridad en condiciones prácticas. Con nuevos materiales, sistemas de control y requisitos para propulsores de alto rendimiento, los ingenieros están actualmente [ ¿cuándo? ] reexaminando esta suposición. [ cita requerida ]

Muchos ésteres de alcohol parcialmente nitrados son adecuados para su uso como monopropelentes. El "dinitrato de trimetilenoglicol" o dinitrato de 1,3-propanodiol es isomérico con PGDN y se produce como un subproducto fraccional en todas las condiciones de laboratorio, excepto las más exigentes; la gravedad específica marginalmente menor (y, por lo tanto, la densidad energética ) de este compuesto es un argumento en contra de su uso, pero las pequeñas diferencias en la química pueden resultar útiles en el futuro. [ cita requerida ]

El "dinitrodiglicol", más propiamente llamado dinitrato de dietilenglicol en notación moderna, se utilizó ampliamente en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, tanto solo como monopropelente líquido como en forma coloidal con nitrocelulosa como propelente sólido. Las características deseables de este compuesto (es bastante estable, fácil de fabricar y tiene una densidad energética muy alta) se ven perjudicadas por un punto de congelación elevado (-11,5 °C) y una expansión térmica pronunciada, ambos problemas en las naves espaciales. La "dinitroclorohidrina" y la "tetranitrodiglicerina" también son candidatos probables, aunque no se conoce ningún uso actual. Los polinitratos de hidrocarburos aromáticos y de cadena larga son invariablemente sólidos a temperatura ambiente, pero muchos son solubles en alcoholes o éteres simples en alta proporción y pueden ser útiles en este estado. [ cita requerida ]

La hidracina , [6] [11] el óxido de etileno , [12] el peróxido de hidrógeno (especialmente en su forma alemana de la Segunda Guerra Mundial como T-Stoff ), [13] y el nitrometano [14] son ​​monopropulsores de cohetes comunes. Como se ha señalado, el impulso específico de los monopropulsores es menor [3] [15] que el de los bipropulsores y se puede encontrar con la herramienta Air Force Chemical Equilibrium Specific Impulse Code. [16]

Un nuevo monopropelente en desarrollo es el óxido nitroso , tanto puro como en forma de mezclas de combustible de óxido nitroso . El óxido nitroso ofrece las ventajas de ser autopresurizante y de ser relativamente no tóxico, con un impulso específico intermedio entre el peróxido de hidrógeno y la hidracina. [17] El óxido nitroso genera oxígeno al descomponerse, y es posible mezclarlo con combustibles para formar una mezcla monopropelente con un impulso específico de hasta 325 s, comparable a los bipropelentes hipergólicos . [18] En 2018 se inventó un nuevo catalizador de metal precioso para su uso con óxido nitroso (óxido de rodio sobre esferas de alúmina), que es más estable a temperaturas más altas que el rodio o el iridio puros. [19]

La comparación directa de las propiedades físicas, el rendimiento, el coste, la capacidad de almacenamiento, la toxicidad, los requisitos de almacenamiento y las medidas de liberación accidental del peróxido de hidrógeno, el nitrato de hidroxilamonio (HAN), la hidracina y varios monopropelentes de gas frío muestra que la hidracina es la que tiene el mejor rendimiento en términos de impulso específico. Sin embargo, la hidracina también es la más cara y tóxica. Además, el HAN y el peróxido de hidrógeno tienen la mayor densidad de impulso (impulso total por unidad de volumen dada). [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ Sybil P. Parker (2003). Diccionario McGraw-Hill de términos científicos y técnicos (6.ª ed.). McGraw-Hill. pág. 1370. ISBN 978-0-07-042313-8. Un propulsor de cohete que consiste en una sola sustancia, especialmente un líquido, capaz de crear empuje de cohete sin la adición de una segunda sustancia.
  2. ^ Vere, Ray (1985). Tecnología de combustibles para aviación. Macmillan Education UK. pág. 223. ISBN 978-1-349-06904-0.
  3. ^ ab RAND Corporation (1959). "Propelentes". En Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (eds.). Manual espacial: astronáutica y sus aplicaciones (informe técnico). Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos. págs. 42–46. 86.
  4. ^ "Recursos". Rocket Motor Components, Inc. Archivado desde el original el 14 de enero de 2012.
  5. ^ [1] Archivado el 28 de septiembre de 2009 en Wayback Machine .
  6. ^ de Sutton 1992, pág. 230
  7. ^ "El motor bipropelente Aerojet establece un nuevo récord de rendimiento". Aerojet Rocketdyne. 8 de diciembre de 2008. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2017. Consultado el 13 de julio de 2014 .
  8. ^ Sutton 1992, págs. 307-309
  9. ^ ab RAND Corporation (1959). "Sistemas de propulsión". En Horgan, MJ; Palmatier, MA; Vogel, J. (eds.). Manual espacial: astronáutica y sus aplicaciones (informe técnico). Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos. págs. 31–41. 86.
  10. ^ Sutton 1992, cap. 7.
  11. ^ "Propulsores monopropelentes de hidracina". EADS Astrium. Archivado desde el original el 27 de marzo de 2010.
  12. ^ "oxide_ethylene.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
  13. ^ "h2o2.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
  14. ^ "nitrometano.pdf" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 21 de marzo de 2012.
  15. ^ Sutton 1992, pág. 36
  16. ^ Dunn, Bruce P. (2001). "Rocket Engine Specific Impulse Program". Dunn Engineering. Archivado desde el original el 20 de octubre de 2013.
  17. ^ Zakirov, Vadim; Sweeting, Martin; Lawrence, Timothy; Sellers, Jerry (2001). "Óxido nitroso como propulsor de cohetes". Acta Astronautica . 48 (5–12): 353–362. Código Bibliográfico :2001AcAau..48..353Z. doi :10.1016/S0094-5765(01)00047-9.
  18. ^ Morring, Frank Jr. (21 de mayo de 2012). «SpaceX entregará un banco de pruebas de propulsión ecológica a la Estación Espacial Internacional». Semana de la aviación y tecnología espacial . Consultado el 13 de julio de 2014 .
  19. ^ "Catalizadores". American Elements . Consultado el 5 de enero de 2024 .
  20. ^ Wernimont, Eric (2006). "Comparación de parámetros comerciales del sistema de monopropelentes: peróxido de hidrógeno frente a hidracina y otros" (PDF) . 42.ª Conferencia y exposición conjunta de propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE . doi :10.2514/6.2006-5236. ISBN 978-1-62410-038-3.
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Monopropulsores .
  • Sutton, George P. (1992) [1949]. Elementos de propulsión de cohetes (6.ª ed.). Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-52938-9.
  • En la autobiografía de Clark, John Drury (23 de mayo de 2018), Ignition!: An Informal History of Liquid Rocket Propellants, hay un capítulo completo sobre la historia del desarrollo de los monopropulsantes . Rutgers University Press, pág. 302. ISBN 978-0-8135-9918-2.OCLC 281664  .
  • El libro "Las armas secretas de Alemania en la Segunda Guerra Mundial" de Roger Ford ( ISBN 0-7603-0847-0 c.2000) contiene información útil sobre la sorprendente diversidad de combustibles y propulsores empleados por Alemania en tiempos de guerra. 
  • "La química de la pólvora y los explosivos" de Tenney L. Davis es una fuente de información excelente, aunque desactualizada, sobre muchos aspectos de los compuestos de alta entalpía. (Esta obra fue publicada originalmente por MIT Press en 1943 como libro de texto. Republicación subvencionada en 1995 por Pyrotek Inc., una empresa de suministros para cohetes amateur. No se proporcionan datos de catálogo en esta edición. Se desconoce el estado actual de la publicación).
  • Documento de conferencia de 1999 sobre usos históricos del peróxido de hidrógeno para cohetes, incluidas las aplicaciones como monopropulsor
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