RP-1

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El RP-1 (también conocido como propulsor de cohetes-1 o petróleo refinado-1 ) es una forma altamente refinada de queroseno , aparentemente similar al combustible para aviones , que se utiliza como combustible para cohetes . El RP-1 proporciona un impulso específico menor que el hidrógeno líquido (H2 ₎ , pero es más barato, es estable a temperatura ambiente y presenta un menor riesgo de explosión. El RP-1 es mucho más denso que el H2 _, lo que le confiere una mayor densidad energética (aunque su energía específica es menor). El RP-1 también tiene una fracción de la toxicidad y los riesgos cancerígenos de la hidracina , otro combustible líquido a temperatura ambiente.

El RP-1 es un combustible utilizado en los propulsores de primera etapa de los cohetes Electron , Soyuz , Zenit , Delta I-III , Atlas , Falcon , Antares y Tronador II . También impulsó las primeras etapas de los cohetes Energia , Titan I , Saturn I y IB , y Saturno V. La Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO) también está desarrollando un motor alimentado con RP-1 para sus futuros cohetes. ^[2]

Durante la Segunda Guerra Mundial y justo después de ella, los alcoholes (principalmente etanol y, ocasionalmente, metanol ) se usaban comúnmente como combustibles para grandes cohetes de combustible líquido . Su alto calor de vaporización evitaba que los motores refrigerados regenerativamente se derritieran, especialmente si se tiene en cuenta que los alcoholes suelen contener varios porcentajes de agua. Sin embargo, se reconoció que los combustibles de hidrocarburos aumentarían la eficiencia del motor, debido a una densidad ligeramente superior , la falta de un átomo de oxígeno en la molécula de combustible y un contenido de agua insignificante. Independientemente del hidrocarburo elegido, también tendría que sustituir al alcohol como refrigerante.

Muchos de los primeros cohetes quemaban queroseno , pero a medida que aumentaban los tiempos de combustión, la eficiencia de la combustión y la presión en la cámara de combustión, las masas del motor disminuyeron, lo que provocó temperaturas inmanejables en el motor. El queroseno crudo utilizado como refrigerante tiende a disociarse y polimerizarse . Los productos livianos en forma de burbujas de gas causan cavitación, y los pesados ​​en forma de depósitos de cera bloquean los estrechos conductos de enfriamiento del motor. La falta de refrigerante resultante aumenta aún más las temperaturas y causa más polimerización, lo que acelera la descomposición. El ciclo se intensifica rápidamente (es decir, se produce una fuga térmica ) hasta que se produce una ruptura de la pared del motor u otra falla mecánica, y persiste incluso cuando todo el flujo de refrigerante consiste en queroseno. A mediados de la década de 1950, los diseñadores de cohetes recurrieron a los químicos para formular un hidrocarburo resistente al calor, y el resultado fue el RP-1.

Durante la década de 1950, LOX ( oxígeno líquido ) se convirtió en el oxidante preferido para usar con RP-1, ^[3] aunque también se han empleado otros oxidantes.

En primer lugar, el azufre y los compuestos de azufre atacan a los metales a altas temperaturas, e incluso cantidades muy pequeñas de azufre ayudan a la polimerización . Por lo tanto, el azufre y los compuestos de azufre se mantienen al mínimo .

Los compuestos insaturados ( alquenos , alquinos y aromáticos ) también se mantienen en niveles bajos, ya que tienden a polimerizarse a altas temperaturas y largos períodos de almacenamiento. En ese momento, se pensó que los misiles alimentados con queroseno podrían permanecer almacenados durante años a la espera de su activación. Esta función se transfirió más tarde a los cohetes de combustible sólido , aunque se mantuvieron los beneficios de las altas temperaturas de los hidrocarburos saturados. Debido a los bajos niveles de alquenos y aromáticos, el RP-1 es menos tóxico que varios combustibles para aviones y diésel, y mucho menos tóxico que la gasolina.

Se seleccionaron o sintetizaron los isómeros más deseables , reduciéndose el número de alcanos lineales en favor de un mayor número de alcanos cíclicos y altamente ramificados. Así como las moléculas cíclicas y ramificadas mejoran el índice de octano de la gasolina , también aumentan significativamente la estabilidad térmica a altas temperaturas. Los isómeros más deseables son los policíclicos, como los ladderanos .

Por el contrario, las principales aplicaciones del queroseno (aviación, calefacción e iluminación) están mucho menos preocupadas por la descomposición térmica y, por lo tanto, no requieren una optimización estricta de sus isómeros.

En la producción, estos grados se procesan de forma compacta para eliminar las impurezas y las fracciones secundarias. Se temía que las cenizas pudieran bloquear las líneas de combustible y los conductos del motor, y desgastar las válvulas y los cojinetes de la turbobomba , ya que estos están lubricados por el combustible. Las fracciones ligeramente demasiado pesadas o demasiado ligeras afectaron la capacidad de lubricación y era probable que se separaran durante el almacenamiento y bajo carga. Los hidrocarburos restantes tienen una masa de C ₁₂ o cercana a ella . Debido a la falta de hidrocarburos ligeros, el RP-1 tiene un punto de inflamación alto y presenta un menor riesgo de incendio que la gasolina.

En total, el producto final es mucho más caro que el queroseno común. Cualquier petróleo puede producir RP-1 con suficiente refinación, aunque el queroseno de grado cohete del mundo real se obtiene de un pequeño número de campos petrolíferos con un material base de alta calidad, o puede sintetizarse artificialmente . Esto, junto con la demanda relativamente pequeña en un mercado de nicho en comparación con otros usuarios de petróleo, impulsa el alto precio del RP-1. Las especificaciones militares del RP-1 están cubiertas en MIL-R-25576, ^[4] y las propiedades químicas y físicas del RP-1 se describen en NISTIR 6646. ^[5]

En Rusia y otros países de la ex Unión Soviética, las dos principales formulaciones de queroseno para cohetes son T-1 y RG-1 . Las densidades son ligeramente más altas.0,82 a 0,85  g / mL , en comparación con RP-1 en0,81 g/mL . Durante un breve período, ^{[ ¿cuándo? ]} los soviéticos lograron densidades incluso más altas al súper enfriar el queroseno en los tanques de combustible del cohete, pero esto frustró parcialmente el propósito de usar queroseno en lugar de otros combustibles súper enfriados. ^{[ aclaración necesaria ]} En el caso del Soyuz y el R-7 , la penalización de temperatura fue menor. Ya existían instalaciones para administrar el oxígeno líquido criogénico y el nitrógeno líquido del vehículo , los cuales son mucho más fríos que el queroseno. El tanque de queroseno central del lanzador está rodeado por los cuatro lados y la parte superior por tanques de oxígeno líquido; el tanque de nitrógeno líquido está cerca en la parte inferior. Los tanques de queroseno de los cuatro impulsores son relativamente pequeños y compactos, y también entre un tanque de oxígeno líquido y un tanque de nitrógeno líquido. Por lo tanto, una vez que el queroseno se enfrió inicialmente, pudo permanecer así durante el breve tiempo necesario para terminar los preparativos del lanzamiento. La última versión del Falcon 9, Falcon 9 Full Thrust , también tiene la capacidad de subenfriar el combustible RP-1 para-7  °C , lo que da unaAumento de densidad del 2,5% al ​​4% .

Químicamente, un propulsor de hidrocarburo es menos eficiente que el combustible de hidrógeno porque el hidrógeno libera más energía por unidad de masa durante la combustión, lo que permite una mayor velocidad de escape. Esto es, en parte, resultado de la alta masa de átomos de carbono en relación con los átomos de hidrógeno. Los motores de hidrocarburos también suelen funcionar con combustible rico, lo que produce algo de CO en lugar de CO2 _como consecuencia de una combustión incompleta, aunque esto no es exclusivo de los motores de hidrocarburos, ya que los motores de hidrógeno también suelen funcionar con combustible rico para obtener el mejor rendimiento general. Algunos motores rusos hacen funcionar sus prequemadores de turbobomba con oxígeno rico, pero la cámara de combustión principal sigue funcionando con combustible rico. En total, los motores de queroseno generan una I _sp en el rango de270 a 360  s , mientras que los motores de hidrógeno alcanzan370 a 465 s .

Durante la parada del motor, el flujo de combustible se reduce rápidamente a cero, mientras el motor todavía está bastante caliente. El combustible residual y atrapado puede polimerizarse o incluso carbonizarse en puntos calientes o en componentes calientes. Incluso sin puntos calientes, los combustibles pesados ​​pueden crear un residuo de petróleo, como se puede ver en los tanques de gasolina, diésel o combustible para aviones que han estado en servicio durante años. Los motores de cohetes tienen una vida útil de ciclo que se mide en minutos o incluso segundos, lo que evita que se formen depósitos realmente pesados. Sin embargo, los cohetes son mucho más sensibles a los depósitos, como se describió anteriormente. Por lo tanto, los sistemas de queroseno generalmente implican más desmontajes y revisiones, lo que genera gastos operativos y de mano de obra. Esto es un problema para los motores desechables, así como para los reutilizables, porque los motores deben encenderse en tierra varias veces antes del lanzamiento. Incluso las pruebas de flujo en frío, en las que no se encienden los propulsores, pueden dejar residuos.

Por el lado positivo, por debajo de una presión de cámara de aproximadamente 1000 psi (7 MPa), el queroseno puede producir depósitos de hollín en el interior de la boquilla y el revestimiento de la cámara. Esto actúa como una importante capa de aislamiento y puede reducir el flujo de calor hacia la pared en aproximadamente un factor de dos. Sin embargo, la mayoría de los motores de hidrocarburos modernos funcionan por encima de esta presión, por lo que este no es un efecto significativo para la mayoría de los motores.

Los motores de hidrocarburos pesados ​​más recientes tienen componentes modificados y nuevos ciclos operativos, en un intento de gestionar mejor el combustible sobrante, lograr un enfriamiento más gradual, o ambas cosas. Esto todavía deja el problema de los residuos de petróleo no disociados. Otros motores nuevos han tratado de evitar el problema por completo, cambiando a hidrocarburos ligeros como el metano o el gas propano . Ambos son volátiles, por lo que los residuos del motor simplemente se evaporan. Si es necesario, se pueden hacer pasar disolventes u otros purgantes por el motor para terminar la dispersión. La cadena principal de carbono de cadena corta del propano (una molécula de C ₃  ) es muy difícil de romper; el metano, con un solo átomo de carbono (C ₁ ), técnicamente no es una cadena en absoluto. Los productos de descomposición de ambas moléculas también son gases, con menos problemas debido a la separación de fases y mucha menos probabilidad de polimerización y deposición. Sin embargo, el metano (y en menor medida el propano) reintroduce los inconvenientes de manejo que impulsaron los querosenos en primer lugar.

La baja presión de vapor de los querosenos proporciona seguridad a las tripulaciones de tierra. Sin embargo, en vuelo, el tanque de queroseno necesita un sistema de presurización independiente para reemplazar el volumen de combustible a medida que se drena. Generalmente, se trata de un tanque separado de líquido o gas inerte a alta presión, como nitrógeno o helio . Esto crea un costo y peso adicionales. Los propulsores criogénicos o volátiles generalmente no necesitan un presurizador separado; en su lugar, parte del propulsor se expande (a menudo con el calor del motor) en gas de baja densidad y se envía de regreso a su tanque. Algunos diseños de propulsores altamente volátiles ni siquiera necesitan el bucle de gas; parte del líquido se vaporiza automáticamente para llenar su propio contenedor. Algunos cohetes usan gas de un generador de gas para presurizar el tanque de combustible; generalmente, se trata del escape de una turbobomba . Aunque esto ahorra el peso de un sistema de gas separado, el bucle ahora tiene que manejar un gas reactivo caliente en lugar de uno frío e inerte.

Independientemente de las limitaciones químicas, el RP-1 tiene limitaciones de suministro debido al tamaño muy pequeño de la industria de vehículos de lanzamiento en comparación con otros consumidores de petróleo. Si bien el precio material de un hidrocarburo tan altamente refinado sigue siendo menor que el de muchos otros propulsores para cohetes, el número de proveedores del RP-1 es limitado. Algunos motores han intentado utilizar productos derivados del petróleo más estándar y ampliamente distribuidos, como combustible para aviones o incluso diésel (por ejemplo, el motor E2 de ABL Space Systems puede funcionar con RP-1 o Jet-A). Al utilizar métodos de enfriamiento de motores alternativos o complementarios, algunos motores pueden tolerar las formulaciones no óptimas.

Cualquier combustible basado en hidrocarburos produce más contaminación del aire cuando se quema que el hidrógeno solo. La combustión de hidrocarburos produce emisiones de dióxido de carbono (CO _{2 ), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), mientras que el hidrógeno (H 2} ) reacciona con el oxígeno (O ₂ ) para producir solo agua (H ₂ O), y también se libera algo de H ₂ que no ha reaccionado . Tanto los combustibles basados ​​en hidrocarburos como el combustible de hidrógeno crearán contaminantes de óxidos de nitrógeno (NO _x ), porque las temperaturas de escape de los cohetes superiores a 1600 °C (2900 °F) combinarán térmicamente parte del nitrógeno (N ₂ ) y el oxígeno (O ₂ ) ya presentes en la atmósfera, para crear óxidos de nitrógeno.

Los primeros cohetes de Robert H. Goddard utilizaban gasolina.

Mientras se desarrollaba la especificación del RP-1, Rocketdyne estaba experimentando con dietilciclohexano. Si bien era superior al RP-1, nunca se adoptó su uso: su formulación no se terminó antes del desarrollo del Atlas y el Titan I (diseñados en torno al RP-1), lo que llevó a que el RP-1 se convirtiera en el combustible de hidrocarburos estándar para cohetes. ^[7]

Las formulaciones soviéticas se analizan anteriormente. Además, los soviéticos utilizaron brevemente sintina (en ruso: синтин ), una formulación de mayor energía, utilizada en etapas superiores . La sintina es 1-metil-1,2-diciclopropil ciclopropano ( C
₁₀yo
₁₆). Rusia también está trabajando para cambiar el Soyuz-2 de RP-1 a "naftil" ^[8] o "naphthyl". ^{[9] [10]}

Después de la norma RP-1, se desarrolló la RP-2. La principal diferencia es un contenido de azufre aún menor. Sin embargo, como la mayoría de los usuarios aceptan la RP-1, había pocos incentivos para producir y almacenar una segunda fórmula, aún más rara y más cara.

El grupo OTRAG lanzó vehículos de prueba que utilizaban mezclas más comunes. En al menos un caso, un cohete fue propulsado por combustible diésel . Sin embargo, ningún cohete OTRAG se acercó siquiera a la órbita. ^{[ cita requerida ]}

• Página de la NASA sobre propulsores
• Propulsor de queroseno/LOX
• Propulsores de cohetes