Propergoles líquidos
Introducción
Los propergoles líquidos tienen una gran importancia
fundamentalmente debido a la gran cantidad de
combinaciones que han podido obtenerse con los oxidantes
y reductores. Fue Tsiolkowsky, matemático ruso, quien
tiene el mérito de haber propuesto, desde 1903, el
empleo de líquidos para la propulsión de cohetes. Su
proyecto, perfeccionado en 1914 y en 1915, preveía ya
una mezcla de oxígeno y de hidrógeno líquido con un
sistema de alimentación por bombas idénticas a las que
conocemos actualmente. Fue menester, sin embargo,
esperar hasta 1926 para que el americano Goddard hiciera
volar el primer cohete de combustible líquido en los
Estados Unidos.
La Segunda Guerra Mundial aceleró la aparición de un
número considerable de cohetes de propergoles líquidos,
entre los cuales merecen especial mención las
realizaciones alemanas. Son, en efecto, los ingenieros
alemanes, encabezados por el ilustre Doctor W. von
Braun, quienes tienen el honor y también el triste
mérito haber lanzado en 1944 la primera máquina que
funcionó con oxígeno y alcohol, desde entonces y hasta
la fecha se fue perfeccionando cada vez más estos
propergoles.
Veamos ahora algunas propiedades fisicoquímicas que
deben poseer para satisfacer los criterios generales de
utilización que les son impuestos.
a) La tensión de vapor de un propergol líquido debe ser
baja. Un valor elevado de este parámetro entraña serias
dificultades, al exigir del sistema de alimentación una
presión anormalmente alta.
b) Un líquido denso es de gran interés, pues aumenta la
masa que se puede poner en los depósitos del vehículo.
c) El punto de congelación tiene una significación real
solo en la medida en que los propergoles deben ser
almacenados a temperaturas muy bajas, como es el caso
del oxígeno líquido.
d) En la viscosidad la condición esencial es que su
valor esencial no sobrepase sino algunos centipoises.
e) La hipergolicidad de una combinación caracteriza su
capacidad de inflamación espontánea en el momento en que
los dos ergoles son puestos en contactos.
Oxidantes
1) El Oxígeno y sus compuestos: Conocido desde 1944 por
su empleo en los cohetes alemanes V2, el oxígeno
líquido, empleado en combinación hipergólica con los
alcoholes y petróleos, ha conservado el primer lugar
como comburente de cohetes de gran tonelaje. Obtenido
por destilación fraccionada del aire líquido a un precio
de fábrica bastante bajo, no es tóxico ni corrosivo,
pero, no obstante, causa graves quemaduras en contacto
prolongado con la piel. Estable en las condiciones de
presión ordinarios, el oxígeno líquido puede motivar
explosiones en presencia de sustancias orgánicas bajo el
efecto de fuertes presiones. Su principal inconveniente
resulta de su punto de ebullición muy bajo (-183 0C),
que provoca una rápida evaporación; por esto es
necesario transportarlo y conservarlo en recipientes
abiertos provistos de un aislador eficaz. La relación de
evaporación diaria varía desde 0,56 % para algunos
tanques de motores y hasta 8 % para los aviones.
2) El Ozono: Oxidante poderoso, pero de empleo poco
cómodo a causa de su gran reactividad, en estado líquido
está habitualmente disuelto en el oxígeno en una
proporción del 30 %. Por arriba de esta proporción, una
chispa eléctrica basta para producir la detonación de la
mezcla.
3) Compuestos Nitrados: El gran poder oxidante del
Ácido Nítrico interesaron muchísimo a los químicos
Alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. Hoy es el
más usado de los compuestos nitrados, pues sirve tanto
en diergoles como de materia prima en la fabricación de
los propergoles sólidos.
4) Peróxido de Hidrógeno:
La combinación del hidrógeno y del oxígeno da nacimiento
a un compuesto particularmente interesante conocido
comercialmente como “agua oxigenada”. Su preparación
industrial se realiza en dos etapas. La hidrólisis del
ácido persulfúrico, obtenido previamente por oxidación
anódica, proporciona un peróxido de hidrógeno, que es
concentrado luego a 85 %, y aún más, por destilación
fraccionada al vacío, dando así un cuerpo que puede
servir de monoergol. Dado que su estabilidad disminuye
con las concentraciones fuertes, se le agrega un
estabilizante, generalmente un ácido, en poca cantidad.
Se aprovecha su facilidad de descomposición activándolo
dentro de la cámara de combustión mediante el agregado
de catalizadores tales como soluciones acuosas de
permanganato de calcio o de sodio.
Como comburente en los diergoles, el peróxido de
hidrógeno está asociado a los alcoholes, a la hidracina
y al hidrato de hidracina, con los cuales forma una
mezcla hipergólica, lo mismo que con otras sustancias
orgánicas.
Lamentablemente, su elevada reactividad crea problemas
de mantenimiento no siempre fáciles de solucionar.
Corroe a los tanques y la liberación de energía debido a
su ataque, casi en todos los casos lleva a una
explosión.
Esta dificultad está solucionada con el empleo de
tanques de acero al cromo-níquel y protegidos con un
revestimiento plástico.
5) El ácido nítrico:
Se presenta bajo dos aspectos bien diferentes. El ácido
nítrico fumante blanco es un ácido concentrado al 98 %
que no contiene más del 2 % de agua. Libera importantes
humos blanquecinos, muy peligrosos al ser respirados. El
ácido nítrico fumante rojo, tiene un color que varía
desde el naranja al rojo oscuro, según la proporción de
dióxido de nitrógeno que tenga disuelto, el cuál no
puede exceder del 20 %. Su transporte es relativamente
fácil, reacciona espontáneamente con las aminas y la
anilina.
6) El flúor y sus derivados: Las reacciones de
oxidación no están limitadas forzosamente a los cuerpos
que contienen oxígeno; también se producen con los
elementos electronegativos, o sea elementos que
adquieren fácilmente un electrón externo. El flúor es el
más electronegativo entonces es un muy buen oxidante.
Funciona muy bien con el amoníaco y la hidracina.
Proporciona calores de reacción que solo el ozono puede
igualar. El oxígeno funciona mejor con el hidrógeno,
pero el flúor reacciona mejor con combustibles a base de
boro, litio, aluminio y berilio. Es muy tóxico y muy
corrosivo; su afinidad con los metales hace sumamente
difícil su conservación, pues los ataca aún en frío;
pero con un gran número de ellos forma una película
protectora que resguarda de una acción futura al
material del cual está hecho el recipiente que lo
contiene.
Combustibles
Durante mucho son los combustibles usados, pero la
mejor alternativa parecería ser el hidrógeno a causa de
su elevada temperatura de combustión que puede alcanzar:
4720 ºC con el flúor y 3240 ºC con el oxígeno. Además
con el oxígeno líquido tiene la gran ventaja de dar
gases de eyección cuya masa molecular es 5/2 veces más
liviana que la de las moléculas de gas carbónico que se
encuentra en la mayoría de los productos de la
combustión de los carburantes clásicos, lo que implica
un aumento notable de la velocidad de eyección. Debido a
su baja densidad, 0,07 g/cm3, tuvo que recurrirse a la
implementación de muchas técnicas para su uso, pero
afortunadamente se lo pudo emplear en el motor XLR 175
que impulso el gigante “Centaur”
a) Boranos: Las enormes dificultades encontradas en la
utilización de hidrógeno puro como combustible incitaron
a los técnicos a buscar elementos que, combinándose con
el hidrógeno, fueron capaces de mejorar su baja
densidad, pero conservando sus cualidades energéticas.
Esta búsqueda llevó a considerar al boro, es un
metaloide trivalente, pero presenta una tendencia neta a
la tetravalencia por fijación de un átomo dador, que, al
completar su octeto de valencia por aporte de dos
electrones, le confiere la coordinación 4. La existencia
de esa valencia suplementaria inestable se manifiesta en
las combinaciones hidrogenadas por la formación de dos
series de hidruros o boranos: BnHn+6 y BnHn+4 , los
compuestos de la primera serie no tienen interés para
nuestro tema, pero tres de la segunda serie si, estos
son: B2H6 , B5H9 , B10H14 , o sea: diborano, pentaborano
y decaborano, respectivamente, forman combustibles de
poder calorífico muy elevado, muy convenientes para la
propulsión a reacción.
Un inconveniente serio es que la diferencia de
temperatura de congelación y la temperatura de
ebullición es bastante pequeña para la mayoría de los
boranos; ello puede constituir un severo impedimento
para el empleo de estos combustibles en las máquinas
destinadas a cruzar el espacio en condiciones
extremadamente variadas, por lo tanto los derivados
alcohilados del pentaborano y del decaborano, son los
convenientes para usar, estos tiene un intervalo de
temperatura mayor.
b) Hidrocarburos: Estos son los clásicos de los motores
de explosión, de combustión interna y de los
turborreactores, y también muy apreciados para la
propulsión de los cohetes. La destilación fraccionada
del petróleo bruto da nacimiento a toda una serie de
productos que se escalonan por orden de densidad
creciente, desde las naftas más livianas hasta la brea.
Para los cohetes, se ha obtenido un querosene liviano,
que tiene muy buenas cualidades físicas y químicas,
variando mucho esto con el grado de refinación.
c) Compuestos Orgánicos: La dimetil hidrazina
asimétrica y la anilina pertenecen a la clase de aminas
que reaccionan espontáneamente con ácido nítrico. Los
alcoholes han perdido su interés desde que han sido
sustituidos por los hidrocarburos, cuyo poder calorífico
es muy superior. Por ejemplo el alcohol etílico, al
quemar en el oxígeno, libera a lo sumo 2080 kcal/kg,
mientras que en las mismas condiciones el querosene
libera 2350 kcal/kg.
Monoergoles
Los monoergoles (del griego monos: solo) toman la
energía de reacción de un solo cuerpo o de una mezcla de
cuerpos que contienen a la vez el combustible y el
oxidante. Prácticamente, los monoergoles se dividen en
tres grupos diferentes:
i) El primer grupo comprende los compuestos cuya
molécula contienen a la vez el combustible y el
carburante necesario para su combustión. Es el caso del
óxido de etileno.
ii) En el segundo grupo se encuentran las sustancias en
las cuales la descomposición resulta de un ordenamiento
inestable de los átomos en el interior de las moléculas.
Ejemplo: Agua Oxigenada (H2O2).
iii) El tercer grupo reúne las mezclas de oxidantes y
combustibles que no son hipergólicas.
Los monoergoles son productos muy inestables y
difíciles de almacenar. Tienen mucha tendencia a detonar
durante la combustión que no siempre es fácil de
controlar, por lo tanto debemos recurrir a productos
relativamente estables, pero sus performances son
siempre menores. El agua oxigenada, el nitrometano, el
óxido de etileno y el nitrato de isopropilo han sido
objetos de realizaciones prácticas.
Nitrometano: CH3NO2 , es un
líquido estable a la temperatura ambiente a la presión
normal, tiene una densidad de 1,13.
Para lograr el encendido es necesario introducir una
sustancia autoinflamable.
Óxido de Etileno: O(CH2CH2).
Líquido a la presión atmosférica, puede descomponerse
para dar origen a una mezcla de gases compuestos
principalmente de óxido de carbono, metano, hidrógeno y
etileno.
Es muy tóxico.
Nitrato de Isopropilo: (CH3)2
CHONO2 , presenta algunas analogías con el
óxido de etileno. Es estable a temperaturas bajas y
también, al igual que el Óxido de Etileno, con el aire
da una mezcla explosiva muy peligrosa. Es mucho menos
tóxico que el Óxido de Etileno y muy poco corrosivo.
Cohetes a propergoles
líquidos
Los diferentes parámetros: Impulso Específico, Poder
Calorífico, Empuje, no dependen solamente de las
características termodinámicas y químicas del propergol,
sino también de la manera como se quema en la cámara de
combustión. Esta interdependencia del sistema Propergol
– Impulsor nos conduce a considerar brevemente las
unidades mecánicas que permitan un correcto
funcionamiento de los líquidos.
Los dos líquidos carburantes y combustible, almacenados
en recipientes separados, son enviados al generador de
empuje por un sistema de alimentación; luego son
inyectados en una de las extremidades de la cámara, bajo
la forma de una niebla, para ser quemado allí. A partir
de estos datos preliminares, se puede definir tres
conjuntos de funcionamientos.
Estos son:
1) El grupo tanque
2) El sistema de alimentación, que tiene por objeto
proporcional al generador de empuje las cantidades de
propergol que le son necesarias a cada instante
3) El generador de empuje, que comprende las siguientes
secciones:
• El sistema de inyección,
cuya función es asegurar no solamente un consumo
conveniente del propergol, sino además una relación
correcta de la mezcla combustible – comburente, lo mismo
que un grado de pulverización óptimo.
• Un sistema de encendido
que inicie la combustión de la mezcla vaporizada, cuando
ésta nos es inflamable en forma espontánea.
• La cámara de combustión,
en la cual se efectúa la conversión de la energía
química contenida en el propergol en energía cinética.
• La tobera, por donde son
descargados los productos de combustión.
• Un sistema de
refrigeración, realizado generalmente por circulación de
líquido a presión (por ejemplo el mismo comburente) que
impide a la tobera y a la cámara de combustión alcanzar
una temperatura peligrosa para su estructura.
Por lo general, a los tanques se le da forma cilíndrica
o cilindricocónica del cohete, pero en realidad la mejor
configuración sería la esférica. Sistemas de
Alimentación
Existen dos tipos:
a) El sistema de presión de gas: Basado en la fuerza
expansiva del gas, este sistema está constituido por un
tanque esférico de alta presión que contiene ya sea
aire, un gas como el nitrógeno, en el caso que uno de
los líquidos reaccionara con el oxígeno o también helio.
En la figura se observa: El tanque donde está el helio
bajo una cierta presión p, una válvula de regulación de
presión. También se observa las válvulas antirretorno y
los tanques del combustible y el comburente, están las
compuertas de acceso a la cámara de combustión, la
tobera y la tubería donde pasa el líquido refrigerante
envolviendo la tobera.
b) El sistema de turbo bomba: En
un sistema de
alimentación de turbo bomba, un generador de gas
acciona una turbina que, a su vez, impulsa las bombas
destinadas a aspirar los líquidos de sus tanques para
hacerlos introducir bajo presión a la cámara de
combustión. El generador de gas puede funcionar con
propergoles sólidos o líquidos, preferentemente los
líquidos.
Conclusión
Con estos artículos se ha querido
dar una idea del funcionamiento de los motores cohetes a
combustibles líquidos, la implementación de estos son
muy costosos y requieren una altísima tecnología. No
obstante quiero mencionar que en EE.UU. se llegaron a
fabricar motores de combustibles líquidos para ser
usados por los coheteros civiles.
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