Propulsor

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Un propulsor (o 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 y "propulsa" un vehículo, proyectil o carga útil de fluido . En los vehículos, el motor que expulsa el propulsor se llama motor de reacción . Aunque 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 contiene la energía utilizada para acelerar la masa de reacción. Por ejemplo, el término "propulsor" se usa a menudo en el diseño de cohetes químicos para describir un combustible/propulsor combinado, aunque los propulsores no deben confundirse con el combustible que usa un motor para producir la energía que expulsa el propulsor. Aunque los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se usan a menudo como masa de reacción para crear el empuje, como con un motor de cohete químico, propulsor y combustible son dos conceptos distintos.

Los vehículos pueden utilizar propulsores para moverse expulsando un propulsor hacia atrás, lo que crea una fuerza opuesta que mueve el vehículo hacia adelante. Los proyectiles pueden utilizar propulsores que son gases en expansión que proporcionan la fuerza motriz para poner el proyectil en movimiento. Las latas de aerosol utilizan propulsores que son fluidos que se comprimen de modo que cuando se permite que el propulsor escape al abrir una válvula, la energía almacenada por la compresión mueve el propulsor fuera de la lata y ese propulsor expulsa la carga útil del aerosol junto con el propulsor. El fluido comprimido también se puede utilizar como un propulsor de vehículo simple, con la energía potencial que se almacena en el fluido comprimido utilizada para expulsar el fluido como propulsor. La energía almacenada en el fluido se agregó al sistema cuando el fluido se comprimió, como el aire comprimido . La energía aplicada a la bomba o al sistema térmico que se utiliza para comprimir el aire se almacena hasta que se libera al permitir que escape el propulsor. El fluido comprimido también puede usarse únicamente como almacenamiento de energía junto con alguna 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.

En las naves espaciales propulsadas eléctricamente , se utiliza electricidad para acelerar el propulsor. Se puede utilizar una fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o se puede utilizar 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) en un plasma y expulsar el plasma como propulsor. En el caso de un motor de cohete resistojet , el propulsor comprimido simplemente se calienta utilizando calentamiento resistivo a medida que se expulsa para crear más empuje.

En los cohetes químicos y los aviones, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que se puede dirigir a través de una boquilla , lo que produce empuje. En los cohetes, la quema de combustible para cohetes produce un escape, y el material agotado generalmente se expulsa como propulsor bajo presión a través de una boquilla . El material de escape puede ser un gas , un líquido , un plasma o un sólido . En los aviones a motor sin hélices, como los jets , el propulsor generalmente es el producto de la quema de combustible con oxígeno atmosférico, de modo que el producto propulsor resultante tiene más masa que el combustible transportado en el vehículo.

Los cohetes fotónicos 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, la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton es inadecuada para modelar la física involucrada y se debe utilizar la física relativista .

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

El propulsor de un cohete puede ser expulsado a través de una boquilla de expansión como un gas frío, es decir, sin mezcla ni combustión energéticas, para proporcionar pequeños cambios en la velocidad de la nave espacial mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.

Para alcanzar una densidad útil para el almacenamiento, la mayoría de los propulsores se almacenan como sólidos o líquidos.

Un propulsor de cohete es una masa que se expulsa de un vehículo, como un cohete, de tal manera que crea un empuje de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton y "propulsa" el vehículo hacia adelante. El motor que expulsa el propulsor se llama motor de reacción . Aunque el término "propulsor" se utiliza a menudo en el diseño de cohetes químicos para describir una combinación de combustible y propulsor, los propulsores no deben confundirse con el combustible que utiliza un motor para producir la energía que expulsa el propulsor. Aunque los subproductos de las sustancias utilizadas como combustible también se utilizan a menudo como masa de reacción para crear el empuje, como en el caso de un motor de cohete químico, el propulsor y el combustible son dos conceptos distintos.

En las naves espaciales propulsadas eléctricamente , se utiliza electricidad para acelerar el propulsor. Se puede utilizar una fuerza electrostática para expulsar iones positivos, o se puede utilizar 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) en un plasma y expulsar el plasma como propulsor. En el caso de un motor de cohete resistojet , el propulsor comprimido simplemente se calienta utilizando calentamiento resistivo a medida que se expulsa para crear más empuje.

En los cohetes químicos y los aviones, los combustibles se utilizan para producir un gas energético que se puede dirigir a través de una boquilla , lo que produce empuje. En los cohetes, la quema de combustible para cohetes produce un escape, y el material agotado generalmente se expulsa como propulsor bajo presión a través de una boquilla . El material de escape puede ser un gas , un líquido , un plasma o un sólido . En los aviones a motor sin hélices, como los jets , el propulsor generalmente es el producto de la quema de combustible con oxígeno atmosférico, de modo que el producto propulsor resultante tiene más masa que el combustible transportado en el vehículo.

El propulsor o combustible también puede ser simplemente un fluido comprimido, y la energía potencial que se almacena en el fluido comprimido se utiliza para expulsar el fluido como propulsor. La energía almacenada en el fluido se agregó al sistema cuando se comprimió el fluido, como el aire comprimido . La energía aplicada a la bomba o al sistema térmico que se utiliza para comprimir el aire se almacena hasta que se libera al permitir que escape el propulsor. El fluido comprimido también se puede utilizar solo como almacenamiento de energía junto con alguna otra sustancia como propulsor, como con un cohete de agua , donde la energía almacenada en el aire comprimido es el combustible y el agua es el propulsor.

Los cohetes fotónicos 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, la velocidad de la luz. En este caso, la tercera ley del movimiento de Newton es inadecuada para modelar la física involucrada y se debe utilizar la física relativista .

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

El propulsor de un cohete puede ser expulsado a través de una boquilla de expansión como un gas frío, es decir, sin mezcla ni combustión energéticas, para proporcionar pequeños cambios en la velocidad de la nave espacial mediante el uso de propulsores de gas frío , generalmente como propulsores de maniobra.

Para alcanzar una densidad útil para el almacenamiento, la mayoría de los propulsores se almacenan como sólidos o líquidos.

Los propulsores pueden activarse mediante reacciones químicas para expulsar sólidos, líquidos o gases. Se puede utilizar energía eléctrica para expulsar gases, plasmas, iones, sólidos o líquidos. Se pueden utilizar fotones para proporcionar empuje mediante el momento relativista.

• Propulsores compuestos hechos de un oxidante sólido como perclorato de amonio o nitrato de amonio , un caucho sintético como HTPB , PBAN o poliuretano (o polímeros energéticos como nitrato de poliglicidilo o nitrato de polivinilo para energía adicional), combustibles opcionales de alto poder explosivo (de nuevo, para energía adicional) como RDX o nitroglicerina , y generalmente un combustible de metal en polvo como el aluminio .
• Algunos propulsores amateurs utilizan nitrato de potasio , combinado con azúcar , epoxi u otros combustibles y compuestos aglutinantes.
• El perclorato de potasio se ha utilizado como oxidante, combinado con asfalto , epoxi y otros aglutinantes.

Los propulsores que explotan en funcionamiento son de poca utilidad práctica en la actualidad, aunque se han realizado experimentos con motores de detonación por pulsos . También se están considerando en la etapa de investigación los compuestos a base de bishomocubano recientemente sintetizados como propulsores sólidos y líquidos del futuro. ^{[1] [2]}

Los combustibles sólidos o los propulsores se utilizan en formas llamadas granos . Un grano es cualquier partícula individual de combustible o propulsor, independientemente de su tamaño o forma. La forma y el tamaño de un grano determinan el tiempo de combustión, la cantidad de gas y la tasa de energía producida a partir de la combustión del combustible y, en consecuencia, el perfil de empuje frente al tiempo.

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

Quemadura progresiva

Generalmente un grano con múltiples perforaciones o un corte de estrella en el centro que proporciona una gran superficie.

Quemadura degresiva

Generalmente un grano sólido en forma de cilindro o esfera.

Combustión neutra

Generalmente una sola perforación; a medida que la superficie exterior disminuye, la superficie interior aumenta al mismo ritmo.

Hay cuatro tipos diferentes de composiciones de combustible/propulsor sólido:

Combustible/propulsor de base única

Un combustible/propulsor de base única tiene como principal ingrediente explosivo la nitrocelulosa. Se utilizan estabilizadores y otros aditivos para controlar la estabilidad química y mejorar sus propiedades.

Combustible/propulsor de doble base

Los combustibles/propulsores de base doble consisten en nitrocelulosa con nitroglicerina u otros explosivos de nitrato orgánico líquido añadidos. También se utilizan estabilizadores y otros aditivos. La nitroglicerina reduce el humo y aumenta la producción de energía. Los combustibles/propulsores de base doble se utilizan en armas pequeñas, cañones, morteros y cohetes.

Combustible/propulsor de triple base

Los combustibles/propulsores de base triple consisten en nitrocelulosa, nitroguanidina, nitroglicerina u otros explosivos de nitrato orgánico líquido. Los combustibles/propulsores de base triple se utilizan en cañones .

Compuesto

Los compuestos no utilizan nitrocelulosa, nitroglicerina, nitroguanidina ni ningún otro nitrato orgánico como componente principal. Los compuestos suelen estar compuestos de un combustible como el aluminio metálico, un aglutinante combustible como el caucho sintético o 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 SLBM Trident II de EE. UU., se añade nitroglicerina al compuesto de aluminio y perclorato de amonio como plastificante energético.

En los cohetes se utilizan tres combinaciones principales de bipropulsores líquidos: oxígeno criogénico e hidrógeno, oxígeno criogénico y un hidrocarburo, y propulsores almacenables. ^[3]

Sistema de combinación criogénico de oxígeno e hidrógeno

Se utiliza en etapas superiores y, a veces, en etapas de refuerzo de sistemas de lanzamiento espacial. Es una combinación no tóxica que proporciona un impulso específico elevado y es ideal para misiones de alta velocidad.

Sistema propulsor criogénico de oxígeno e hidrocarburo

Se utiliza en muchas etapas de refuerzo 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 refuerzo más compacto.

Combinaciones de propulsores almacenables

Se utilizan en casi todos los motores de cohetes bipropulsados ​​de bajo empuje, auxiliares o de control a reacción , así como en algunos motores de cohetes de gran tamaño para la primera y segunda etapa de misiles balísticos. Son de arranque instantáneo y adecuados para el almacenamiento a largo plazo.

Las combinaciones de propulsores utilizadas para cohetes de propulsor líquido incluyen:

• Oxígeno líquido e hidrógeno líquido ^[4]
• Oxígeno líquido y queroseno o RP-1 ^[5]
• Oxígeno líquido y etanol
• Oxígeno líquido y metano
• Peróxido de hidrógeno y el alcohol mencionado anteriormente o RP-1
• Ácido nítrico fumante rojo (RFNA) y queroseno o RP-1
• RFNA y dimetilhidrazina asimétrica (UDMH)
• Tetróxido de dinitrógeno y UDMH, MMH y/o hidracina

Los monopropulsores comunes utilizados para motores de cohetes líquidos incluyen:

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

Los motores reactivos propulsados ​​eléctricamente utilizan una variedad de propulsores, generalmente ionizados, incluidos iones atómicos, plasma, electrones o pequeñas gotas o partículas sólidas como propulsores.

Si la aceleración es causada 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. Los tipos de propulsores electrostáticos y sus propulsores:

• Propulsor iónico enrejado : utiliza iones positivos como propulsor, acelerados por una rejilla cargada eléctricamente.
  • Preparación para la aplicación de tecnología solar de la NASA (NSTAR): iones positivos acelerados mediante electrodos de alto voltaje
  • HiPEP : utiliza iones positivos como propulsor, creados mediante microondas
  • Propulsor de iones de radiofrecuencia : generalización de HiPEP
• Propulsor de efecto Hall , incluidos sus subtipos Propulsor de plasma estacionario (SPT) y Propulsor con capa de ánodo (TAL): utiliza el efecto Hall para orientar los electrones y crear iones positivos para el propulsor.
• Propulsor de iones coloidales : aceleración electrostática de gotas de sal líquida como propulsor
• Propulsión eléctrica por emisión de campo : uso de electrodos para acelerar el metal líquido ionizado como propulsor
• Propulsor de extracción de campos de nanopartículas : utiliza nanotubos de carbono cilíndricos cargados como propulsor

Se trata de motores que utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma que se utiliza como propulsor. Utilizan una tobera para dirigir el propulsor activado. La tobera en sí puede estar compuesta simplemente por un campo magnético. Los gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoniaco) son los propulsores preferidos para este tipo de sistema. ^[6]

• Resistojet : utiliza un propulsor comprimido, generalmente inerte, que se activa mediante un simple calentamiento resistivo.
• Arcjet : utiliza (generalmente) hidracina o amoníaco como propulsor que se activa con un arco eléctrico.
• Microondas : un tipo de propulsor de iones de radiofrecuencia
• Cohete magnetoplasmático de impulso específico variable (VASIMR): utiliza plasma generado por microondas como propulsor y campo magnético para dirigir su expulsión

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

• Propulsor de plasma sin electrodos : un sistema complejo que utiliza plasma frío como propulsor que se acelera mediante fuerza ponderomotriz.
• Propulsor magnetoplasmadinámico : los propulsores incluyen xenón, neón, argón, hidrógeno, hidracina o litio; se expulsan utilizando la fuerza de Lorentz
• Propulsor inductivo pulsado : debido a que este motor reactivo utiliza un campo magnético radial, actúa tanto sobre partículas positivas como negativas, por lo que puede utilizar una amplia gama de gases como propulsor, incluidos agua, hidracina, amoníaco, argón, xenón y muchos otros.
• Propulsor de plasma pulsado : utiliza un plasma de teflón como propulsor, que se crea mediante un arco eléctrico y se expulsa utilizando la fuerza de Lorentz.
• Propulsor de doble capa de helicón : se genera un propulsor de plasma y se excita a partir de un gas utilizando un helicón inducido por ondas de radio de banda de alta frecuencia que forman una boquilla magnética en un cilindro.

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

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

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Los propulsores de fluido comprimido o gas comprimido se presurizan físicamente mediante un compresor, en lugar de mediante una reacción química. Las presiones y densidades de energía que se pueden lograr, si bien son insuficientes para los cohetes y las armas de fuego de alto rendimiento, son adecuadas para la mayoría de las aplicaciones, en cuyo caso los fluidos comprimidos ofrecen una fuente de presión de propulsor más simple, 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 bajo presión como líquido.

En aplicaciones en las que se utiliza una gran cantidad de propulsor, como el lavado a presión y la aerografía , se puede presurizar el aire mediante un compresor y usarlo inmediatamente. Además, se puede utilizar una bomba manual para comprimir el aire por su simplicidad en aplicaciones de baja tecnología, como atomizadores , nebulizadores de plantas y cohetes de agua . Los ejemplos más simples de un sistema de este tipo son las botellas exprimibles para líquidos como el kétchup y el champú.

Sin embargo, los gases comprimidos no son prácticos como propulsores almacenados si no se licúan dentro del contenedor de almacenamiento, porque 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.

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

La mezcla de propulsor líquido y gaseoso dentro de la lata mantiene una presión constante, llamada presión de vapor del líquido . A medida que se agota la carga útil, el propulsor se vaporiza para llenar el volumen interno de la lata. Los líquidos suelen ser entre 500 y 1000 veces más densos que sus gases correspondientes a presión atmosférica; incluso a la presión más alta dentro de la lata, solo una pequeña fracción de su volumen necesita ser propulsor 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 no deseado 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 (aunque los aerosoles congelantes también pueden contener otros componentes, como cloroetano , con una presión de vapor más baja pero una entalpía de vaporización más alta que el propulsor).

Los clorofluorocarbonos (CFC) solían utilizarse como propelentes, ^[7] pero desde que entró en vigor el Protocolo de Montreal en 1989, han sido reemplazados en casi todos los países debido a los efectos negativos que tienen los CFC 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} dimetiléter (DME) y metil etil éter . Todos estos tienen la desventaja de ser inflamables . El óxido nitroso y el dióxido de carbono también se utilizan como propelentes para transportar alimentos (por ejemplo, crema batida y aerosol para cocinar ). 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 líquidos de hidrofluoroolefina (HFO) se han adoptado más ampliamente en los sistemas de aerosoles debido a su presión de vapor relativamente baja, su bajo potencial de calentamiento global (GWP) y su no inflamabilidad. ^[9]

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

• Cartucho (armas de fuego)
• Material explosivo
• Combustible
• Depósito de propulsores
• Propulsión de naves espaciales
• Impulso específico

• Clark, John D. (1972). ¡Ignición! Una historia informal de los propulsores líquidos para cohetes . Rutgers University Press. ISBN 0-8135-0725-1.

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Propulsores .

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• 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 las armas – División de sistemas de armas Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa por Ian A. Johnston Archivado el 10 de julio de 2013 en Wayback Machine