Los motores criogénicos son la tecnología más prestigiosa para los motores de cohetes y sólo unos pocos países los han desarrollado con éxito. Embárquenos en un viaje para explorar el diseño de motores criogénicos, comenzando por los fundamentos.
Selección de combustible para motores de cohetes
Un simple cohete se impulsa hacia el cielo utilizando la tercera ley de Newton, que establece que para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. En otras palabras, cuando el motor del cohete expulsa una gran cantidad de masa a alta velocidad, el cohete gana impulso en la dirección opuesta.
Para expulsar una gran cantidad de combustible a alta velocidad, los motores de cohetes necesitan quemar combustible altamente combustible. Los motores de cohetes basados en combustible líquido son los motores más versátiles para la propulsión espacial, ya que permiten un control eficiente de la inyección de combustible, el empuje y el uso de diferentes tipos de válvulas.
Un propulsor para un cohete se compone de combustible y oxidante. Al seleccionar el combustible para un motor de cohete, un término crucial a considerar es el impulso específico, que determina la cantidad de empuje que recibe el cohete por unidad de propulsor. Cuanto mayor sea el impulso específico, mejor será el combustible para un cohete.
El empuje de un cohete se deriva de la velocidad a la que cambia su impulso. La velocidad de los gases de escape es proporcional a la temperatura de los gases de escape, en la que influye el poder calorífico del combustible. Los combustibles con alto poder calorífico y bajo peso molecular tienden a tener un impulso específico elevado. Según estos criterios, el hidrógeno es la elección obvia como combustible para cohetes.
El desafío del hidrógeno
El hidrógeno tiene un peso molecular bajo, un alto poder calorífico y no corroe las piezas del motor ni plantea problemas de toxicidad cuando se quema con oxígeno. Sin embargo, el principal desafío del hidrógeno es que adopta forma gaseosa a temperatura ambiente, lo que lo hace voluminoso para los cohetes espaciales.
Fundamentalmente, para superar este desafío, el hidrógeno necesita someterse a un proceso de licuefacción, lo que introduce la criogenia en escena. El hidrógeno líquido ofrece un tamaño de tanque más compacto y puede transportarse, almacenarse y transferirse de forma segura a tanques de combustible para cohetes cerca del sitio de lanzamiento.
Para lograr hidrógeno líquido, se emplea una secuencia de procesos que involucran compresores, condensadores y dispositivos de estrangulación, reduciendo la temperatura a -253 grados Celsius, el punto en el que el hidrógeno gaseoso se convierte en líquido.
Almacenamiento de los propulsores criogénicos
Los propulsores criogénicos, hidrógeno líquido (lh2) y oxígeno líquido (lox), se almacenan en tanques cubiertos por un tanque exterior más grande hecho de una aleación duradera de aluminio y litio. Una capa de poliuretano térmicamente aislante, aplicada mediante una técnica de espuma en aerosol, protege el tanque exterior del calor extremo durante el reingreso a la atmósfera.
Los propulsores criogénicos se almacenan de forma segura hasta que estén listos para su uso en el diseño mecánico del cohete.
Diseño mecánico de motores criogénicos
Un suministro directo de combustible desde el tanque a la cámara de combustión no generaría suficiente empuje para un despegue exitoso. Para impulsar el escape desde la boquilla a altas velocidades, se requiere una bomba para enviar el combustible y el oxidante a la cámara de combustión.
El uso de una bomba eléctrica requeriría un importante almacenamiento de energía y añadiría peso al cohete. Una solución inteligente es utilizar una turbina para impulsar la bomba, utilizando hidrógeno expandido como fuente de combustible para la turbina. Esta configuración, conocida como motor de ciclo expansor, es muy eficiente para quemar hidrógeno líquido.
El hidrógeno líquido también se convierte en gaseoso haciéndolo circular alrededor de la boquilla caliente y la cámara de combustión. Los gases de escape del gas caliente se envían luego a la cámara de combustión. Esta disposición con una bomba de turbina se denomina bomba turbo.
Se utilizan técnicas similares para enviar oxígeno líquido a la cámara de combustión, pero el hidrógeno líquido no se puede bombear a altas velocidades con este método.
Ciclos del motor
Surge una pregunta lógica: ¿por qué no quemar una parte del combustible y utilizar sus gases de escape para alimentar la turbina? Este enfoque se aborda introduciendo una pequeña cámara de combustión adicional, donde se quema una parte de los propulsores y los gases de escape de alta velocidad se emplean para impulsar la turbina. Este ciclo del motor se conoce como ciclo del generador de gas.
Sin embargo, esta configuración no es tan eficiente ya que se pierde parte de la energía del escape. Para mejorar la eficiencia, los gases de escape se desvían de la turbina a la cámara de combustión. Con un pequeño porcentaje de oxígeno, el hidrógeno se quema parcialmente, aumentando su temperatura y presión. A continuación, la mezcla rica en combustible se quema completamente en la cámara de combustión. Esta disposición se denomina ciclo de combustión por etapas y ofrece el mayor empuje e impulso específico.
Vale la pena señalar que la presión dentro de la cámara de combustión es muy alta en el ciclo de combustión por etapas, lo que requiere componentes del motor potentes y costosos.
Placa del inyector y cámara de combustión
Para garantizar una mezcla completa de hidrógeno y oxígeno en la cámara de combustión, se utiliza una placa de inyector. Esta placa atomiza de propulsores, permitiéndoles arder eficientemente con la ayuda de un encendedor pirotécnico.
La temperatura dentro de la cámara de combustión del motor criogénico puede alcanzar hasta 3.000 grados Celsius, lo que puede causar daños materiales. La circulación de hidrógeno líquido alrededor de la cámara de combustión ayuda a mantener la temperatura del material dentro de los límites permitidos, abordando simultáneamente el desafío del aislamiento.
Diseño y desafíos de las boquillas
Los gases a alta presión expulsados de la cámara de combustión se aceleran a través de una boquilla convergente-divergente para alcanzar altas velocidades. El diseño de la boquilla es fundamental para un rendimiento óptimo.
Desarrollar un motor criogénico exitoso plantea desafíos importantes. Mantener la proporción correcta de oxígeno e hidrógeno es crucial y está controlado por la bomba turbo, conocida como el corazón de un motor criogénico. La complejidad surge del acoplamiento entre la combustión del propulsor y la velocidad de la bomba controlada por turbina. Algunas turbobombas incluso emplean cajas de engranajes para funcionar a velocidades diferentes a las de la turbina, lo que ayuda a controlar la proporción de propulsor.
El aislamiento térmico es otro desafío importante exclusivo de los motores criogénicos. El gradiente de temperatura en varias partes del cohete es significativamente mayor, lo que requiere el diseño de fuertes barreras térmicas para evitar el flujo de calor. Este gradiente de alta temperatura no es común en otros motores de cohetes, lo que hace que el diseño del aislamiento térmico sea específico de la tecnología de cohetes criogénicos.
Por último, la difusión de hidrógeno líquido dentro de las estructuras metálicas plantea desafíos, ya que afecta la resistencia de los metales. Se han desarrollado aleaciones metálicas especiales para solucionar este problema.
La complejidad del diseño de motores criogénicos
Los motores criogénicos se utilizan principalmente en la segunda y tercera etapa de los cohetes. Dadas las complejidades del diseño discutidas, dominar el diseño de motores criogénicos requiere un trabajo inmenso. Estas complejidades explican por qué sólo un número limitado de países han desarrollado con éxito motores criogénicos.
Otros desarrollos en motores criogénicos incluyen motores de aceleración profunda, que permiten su uso en varias fases de la misión.
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