Un motor espacial del es un motor de jet que toma toda su masa de la reacción (" " del propulsor ;) dentro de tancaje y de formas él en un jet de alta velocidad, de tal modo obtención empujada de acuerdo con ley de Newton la tercera. Los motores de Rocket se pueden utilizar para la propulsión de la nave espacial así como aplicaciones terrestres, tales como de motores espaciales de los misiles la mayoría son los motores de combustión interna aunque existan las formas no de combustión también.
Teoría de operación
¡ La mayoría de los motores espaciales producen empuje por la expulsión de un extractor gaseoso de alta temperatura, de alta velocidad. Esto es creada típicamente por (la combustión de alta presión de la barra 10-200) de los propulsores sólidos o líquidos, consistiendo en el combustible y componentes del oxidante, dentro de una cámara de combustión .
Introducción del propulsor en la cámara de combustión
Componentes separados del combustible y del oxidante de la bomba Liquid-fueled de los cohetes típicamente en la cámara de combustión, donde se mezclan y queman. Se preparan los propulsores sólidos del cohete mientras que una mezcla de combustible y de componentes oxidantes y el compartimiento del almacenaje del propulsor se convierte en la cámara de combustión. Los motores híbridos del cohete utilizan una combinación de sólido y de propulsores líquidos o gaseosos. Alternativo, una masa químicamente inerte de la reacción puede ser heated usar una fuente de energía de gran energía.
Inyectores de Rocket
considera también:
l inyector del motor espacial Del El gas caliente producido se escapa con una abertura del estrecho (el " throat"), en un alto extensión-cociente “inyector” de Laval. El inyector acelera dramáticamente el gas, convirtiendo la mayor parte de la energía termal en energía cinética. La campana grande o el inyector cónico de la extensión da a motor espacial su forma característica. El extractor apresura tan arriba como diez veces la velocidad del sonido en el nivel del mar no es infrecuente.
Una porción del empuje del motor espacial viene de las presiones desequilibradas dentro de la cámara de combustión pero la mayoría viene de las presiones contra el interior del inyector (véase el diagrama). Como el gas se amplía ( adibático ) la presión contra las paredes del inyector fuerza el motor espacial en una dirección mientras que acelera el gas en la otra.
Eficacia del propulsor
Para que un motor espacial sea propulsor eficiente, es importante que el máximo ejerce presión sobre posible sea creado por una cantidad específica de propulsor que actúa en el compartimiento y el inyector. Esto se puede alcanzar por todos de:
que bombea el propulsor hasta altas presiones antes de la inyección en el compartimiento
calentando el propulsor tan arriba a una temperatura como sea posible (usar un combustible de la alta energía, conteniendo el hidrógeno y carbón y a veces metales tales como energía de aluminio o aún nuclear)
usar un gas específico bajo de la densidad (como ricos del hidrógeno como sea posible)
usar los propulsores que son, o descomponerse a, las moléculas simples con pocos grados de libertad para maximizar velocidades moleculares
Puesto que todas estas cosas reducen al mínimo la masa del propulsor usado, y puesto que la presión es proporcional a la cantidad de propulsor presente que se acelerará como ella empuja en el motor, la velocidad que las hojas del propulsor el compartimiento son constantes. Así la velocidad del extractor es una medida excelente de la eficacia del propulsor del motor.
Por razones aerodinámicas el flujo va acústico (" el estrangula el " de ;) en la parte más estrecha del inyector, la “garganta”. Puesto que la velocidad del sonido en gases aumenta con la raíz cuadrada de la temperatura, el uso del gas de escape caliente mejora grandemente funcionamiento. Por la comparación, en la temperatura ambiente la velocidad del sonido en aire está sobre 340m/s mientras que la velocidad del sonido en el gas caliente de un motor espacial puede estar sobre 1700m/s; mucho de este funcionamiento es debido a la temperatura más alta, pero los propulsores de cohete se eligen además para estar de masa de poco peso molecular, y éste también da una velocidad más alta comparada al aire.
La extensión en el inyector de cohete entonces fomenta multiplica la velocidad, típicamente entre 1.5 y 4 veces, dando alto a un colimado el jet hipersónico del extractor. El aumento de la velocidad de un inyector de cohete es determinado sobre todo por su cociente del cociente- de la extensión del área del área de la garganta al área en la salida, pero las características detalladas del gas son también importantes. Inyectores más grandes del cociente son más masivos pero pueden extraer más calor de los gas de combustión, aumentando la velocidad del extractor.
La eficacia del inyector es afectada por la operación en la atmósfera porque la presión atmosférica cambia con altitud; pero debido a las velocidades supersónicas del gas que sale de un motor espacial, la presión del jet puede estar debajo o sobre de ambiente, y el equilibrio entre los dos no se alcanza.
Efectos atmosféricos
Para el funcionamiento óptimo la presión del gas en el extremo del inyector debe apenas igualar la presión ambiente; si bajar el vehículo será retardado por la diferencia en la presión entre la tapa del motor y la salida, si más arriba entonces éste representa la presión a que la campana no ha dado vuelta en empuje. Para mantener este ideal que el diámetro del inyector necesitaría aumentar con la altitud, dando a la presión un inyector más largo para actuar encendido (y reduciendo la presión y la temperatura de la salida). Este aumento es difícil de arreglar. Un inyector del compromiso se utiliza generalmente y una cierta reducción en funcionamiento ocurre. Para mejorar en esto, los varios diseños exóticos del inyector tales como el inyector de enchufe, caminaron los inyectores, el inyector de extensión y se ha propuesto el aerospike, cada uno que tenía cierta manera de adaptarse a cambiar la presión de aire ambiente y cada uno que permitía que el gas se amplíe más lejos contra el inyector, dando el suplemento empujado en una altitud más alta.
Funcionamiento total del motor espacial
La tecnología de Rocket puede combinar empuje muy alto (el Meganewtons, velocidades muy altas del extractor (alrededor 10 veces la velocidad del sonido en el nivel del mar) y muy arriba empujó/el simultáneamente de los cocientes de peso (>100) así como poder funcionar fuera de la atmósfera.
Los cohetes se pueden optimizar más a fondo al funcionamiento aún más extremo a lo largo de uno o más de estas hachas a expensas de las otras.
Impulso específico
considera también:
l impulso específico El métrico más importante para la eficacia de un motor espacial es el impulso por la unidad del propulsor, éste se llama el impulso específico (escrito generalmente el ). Esto se mide como velocidad ( en los metros/en segundo lugar o ft/s) o como época (segundos). Un motor que da un impulso específico grande está normalmente alto - deseable.
Empuje neto
Debajo está una ecuación aproximada para calcular el empuje neto de un motor espacial:
donde: = \, del exhaust = \, del actual en el plano de la salida del inyector = \, del flow en el plano de la salida del inyector = \, del static en el plano de la salida del inyector = \, del ambient (o atmosférico)
Puesto que, desemejante de un motor de jet, un motor convencional del cohete carece una toma de aire, no hay “fricción del espolón” a deducir del empuje grueso. Por lo tanto el empuje neto de un motor del cohete es igual el empuje grueso.
representa el empuje de ímpetu, que sigue habiendo constante en un ajuste de válvula reguladora dado, mientras que el representa el término del empuje de presión. En la válvula reguladora llena, el empuje neto de un motor del cohete mejora levemente con el aumento de altitud, porque la presión atmosférica de reducción aumenta el término del empuje de presión.
El estrangular
Los cohetes pueden ser estrangulados controlando el de la tarifa del propulsor (medidos generalmente en kg/s o lb/s).
Observar que porque la estrangulación de los cohetes en la garganta, y debido al extractor supersónico la presión en la salida es ideal exactamente proporcional al del flujo del propulsor, con tal que se mantengan los cocientes de la mezcla y las eficacias de combustión. Es así absolutamente generalmente cambiar la ecuación antedicha levemente: = \ punto {m} de F_n del
Donde: eficaz extractor velocidad ( en vacío de e
En principio los cohetes se pueden estrangular abajo a una presión de la salida de cerca de una mitad de presión ambiente (debido a la separación de flujo en inyectores) y hasta un límite máximo determinado ser solamente la fuerza mecánica del motor.
En la práctica, el grado a el cual los cohetes pueden ser estrangulados varía grandemente, solamente la mayoría de los cohetes se puede estrangular por un factor de 2 sin gran dificultad; la limitación típica es estabilidad de la combustión, como por ejemplo, necesidad de los inyectores una presión mínima para evitar accionar oscilaciones perjudiciales (las inestabilidades el chugging o de la combustión); pero los inyectores se pueden optimizar y probar a menudo para gamas más amplias.
Rendimiento energético
Los inyectores del motor espacial Son los motores de calor asombrosamente eficientes para generar un jet de alta velocidad, como consecuencia de la alta temperatura y del alto cociente de compresión de la combustión de acuerdo con el ciclo de Carnot. Para un vehículo que emplea un motor espacial la eficacia enérgia es muy buena si la velocidad de vehículo se acerca o excede algo a la velocidad del extractor (lanzamiento en relación con); pero a las velocidades bajas la eficacia se acerca asintótico al 0% a la velocidad cero (como con toda la propulsión a chorro .) Ver el rendimiento energético de Rocket para más detalles.
Enfriamiento
Las temperaturas de la combustión de la masa de la reacción pueden alcanzar bastante típicamente ~3500 K (el °F) ~5800 que es a menudo lejos más alto que el punto de fusión de los materiales del inyector y de la cámara de combustión, dos excepciones es el grafito y el tungsteno (~1200 K para el cobre). Muchos materiales de construcción pueden hacer de hecho los propulsores perfectamente aceptables en el su derecho propio. Es importante que estos materiales estén prevenidos de la combustión, de la fusión o de la vaporización al punto de la falta. La tecnología de materiales podía potencialmente poner un límite superior en la temperatura de extractor de cohetes químicos.Alternativo, los cohetes pueden utilizar materiales de construcción mas comunes tales como aluminio, acero, níquel o aleaciones de cobre y emplear los sistemas de enfriamiento que previenen el material de construcción sí mismo que llega a ser demasiado caliente. El enfriamiento regenerador, donde el propulsor se pasa a través de los tubos alrededor de la cámara o del inyector de combustión, y otras técnicas, tales como cortina que se refresca o enfriamiento de película, se emplean para dar una vida más larga del inyector y del compartimiento. Estas técnicas se aseguran de que una capa de límite termal gaseosa que toca el material esté guardada debajo de la temperatura que haría el material fallar catastrófico.
Los métodos del líquido refrigerador incluyen:
(utilizado para el cortocircuito funciona principalmente durante la prueba) paredes ablativas (las paredes se alinean con un material que se vaporice y se lleve continuamente).
En todos los casos el efecto de enfriamiento que evita que la pared sea destruida es causado por una capa delgada del líquido aislador (una capa de límite ) que está en contacto con las paredes que es refrigerador lejano que la temperatura de la combustión. Con tal que esta capa de límite esté intacta la pared no será dañada.
La interrupción de la capa de límite puede ocurrir durante faltas o inestabilidades de enfriamiento de la combustión, y la falta de la pared ocurre típicamente pronto después.
Con el enfriamiento regenerador una segunda capa de límite se encuentra en los canales del líquido refrigerador alrededor del compartimiento. Este grueso de la capa de límite necesita ser tan pequeño como sea posible, puesto que la capa de límite actúa como aislador entre la pared y el líquido refrigerador. Esto puede ser alcanzada haciendo la velocidad del líquido refrigerador en los canales tan alta como sea posible.
Ediciones mecánicas
La cámara de combustión está a menudo bajo presión substancial, barra típicamente 10-200 (1 a MPa 20), presiones más altas que dan un mejor funcionamiento. Esto hace la parte exterior del compartimiento estar bajo tensiones muy grandes del aro
Peor, debido a las temperaturas altas creó en motores espaciales que los materiales usados tienden a tener una fuerza extensible de trabajo perceptiblemente bajada.
Seguridad
Los motores espaciales Se prueban en una facilidad de prueba antes de ser puesto en la producción.
Los cohetes tienen una reputación para la falta de fiabilidad y el peligro; especialmente faltas catastróficas. El contrario a esta reputación, los cohetes cuidadosamente diseñados se puede hacer arbitrariamente confiable. En uso de los militares, los cohetes no son no fiables. Sin embargo, una de las aplicaciones no militares principales de cohetes está para el lanzamiento orbital. En este uso, el premio está en peso mínimo, y es difícil alcanzar alta confiabilidad y el peso bajo simultáneamente. Además, si el número de vuelos puestos en marcha es bajo, hay una ocasión muy alta de un diseño, de operaciones o del error de la fabricación que causa la destrucción del vehículo. Esencialmente todos los vehículos del lanzamiento son vehículos de la prueba por los estándares aeroespaciales normales ( en fecha 2006 ).
El del plano de cohete X-15 alcanzó los 0.5% porcentajes de averías, con una sola falta catastrófica durante la prueba de tierra, y el SSME ha manejado evitar faltas catastróficas adentro sobre 350 motor-vuelos.
Ruido
El lanzamiento de Saturno V era perceptible en los sismómetros a la considerable distancia del escenario del lanzamiento. Mientras que el extractor hipersónico se mezcla con el aire ambiente, se forman las ondas expansivas . La intensidad sana de estas ondas expansivas depende del tamaño del cohete, y en los cohetes grandes puede matar realmente. La lanzadera de espacio genera sobre el DB de 200 (A) del ruido alrededor de su base.Hablando en t3erminos generales el ruido es el más intenso cuando un cohete está cercano a la tierra, puesto que el ruido de los motores irradia para arriba lejos del penacho, así como el reflejo de la tierra. Este ruido se puede reducir algo por los fosos de la llama con las azoteas, por la inyección del agua alrededor del penacho y desviando el penacho en ángulo.
Química
Aunque los propulsores de Rocket requieran la densidad de energía relativamente alta (energía por masa de unidad) muchos materiales comunes son más enérgios. Por ejemplo, la gasolina/la gasolina o la parafina tiene tanta energía como un combustible de cohete típico y lejos más que la mezcla del combustible/del oxidante usada en un motor espacial. Esto es porque el propulsor de cohete lleva su propio oxidante. Los combustibles para los motores de turborreactor del automóvil o utilizan el oxígeno atmosférico y pueden tener densidad de una energía mucho más alta.
Muchos propulsores de cohete utilizan el hidrógeno en el propulsor, como éste da las velocidades más altas del extractor (sobre todo debido a la masa de poco peso molecular, sino a ésta no es el toda la historia).
Los programas de computadora que predicen el funcionamiento de propulsores en motores espaciales están disponibles.
Ignición
Con los cohetes líquidos y híbridos, la ignición inmediata de los propulsores como primero entran la cámara de combustión es esencial.
La falta de encender dentro de milisegundos hace demasiado propulsor líquido estar dentro del compartimiento, e if/when ocurre la ignición la cantidad de gas caliente creada excederá a menudo la presión máxima del diseño del compartimiento. El recipiente del reactor fallará a menudo catastrófico. Esto a veces se llama un el comienzo duro .
La ignición se puede alcanzar por un número de diversos métodos; una carga pirotécnica se puede utilizar, los propulsores puede encender espontáneo en el contacto (hypergolic), una antorcha de plasma puede ser utilizada, o los enchufes de la chispa eléctrica pueden ser empleados.
Los propulsores gaseosos no causarán generalmente comienzo duro, con los cohetes el área total del inyector es menos que la garganta la presión del compartimiento tiende así a ambiente antes de la ignición y las altas presiones no pueden formar incluso si el compartimiento entero es lleno de gas inflamable en la ignición.
Los propulsores sólidos se encienden generalmente con los dispositivos de pirotécnica paso a paso.
Una vez que están encendidos, los compartimientos del cohete son independientes económicamente y los encendedores no son necesarios. Los compartimientos reignite de hecho a menudo espontáneo si se recomienzan después de ser cerrado por algunos segundos. Sin embargo, cuando están refrescados, muchos cohetes no se pueden recomenzar sin por lo menos mantenimiento de menor importancia, tal como reemplazo del encendedor pirotécnica.
Tipos de motores espaciales
Accionado físicamente
Químicamente accionado
Propulsores de cohete líquido
Accionado eléctricamente
Solar accionado
El que el cohete termal solar haría uso de energía solar de calentar directo la masa de la reacción, y por lo tanto que no requiere un generador eléctrico como lo hacen la mayoría de las otras formas de propulsión solar-accionada. Un cohete termal solar tiene que llevar solamente los medios de capturar energía solar, tal como concentradores y los espejos el propulsor heated se alimentan a través de un inyector de cohete convencional al empuje del producto. El empuje de motor se relaciona directo con la superficie del colector solar y con la intensidad local de la radiación solar.
La viga accionó
De propulsión nuclear
La propulsión nuclear incluye una gran variedad de métodos de la propulsión que utilicen una cierta forma de la reacción nuclear como su fuente de energía primaria. Los varios tipos de propulsión nuclear se han propuesto, y algunos de ellos probaron, para los usos de la nave espacial:
Historia de los motores espaciales
Según las escrituras romano Aulus Gellius, en el 400 A., un nombrado pitagórico Archytas griego, propulsó un pájaro de madera a lo largo de los alambres usar el vapor. Sin embargo, no aparecería haber sido bastante de gran alcance sacar bajo su propio empuje.
El que eolipila inventado en el primer siglo (conocido como motor del héroe) era un cohete-como el motor de reacción y el primer registró el motor de vapor . Esencialmente consiste en un cohete de la agua caliente en un cojinete. Fue creado casi dos milenios antes de la Revolución industrial. El motor de vapor del héroe fue tomado al parecer para ser poco más que un juguete, los principios detrás de él no era capacidad entendida, y su máxima bien no explotada por un milenio.
La disponibilidad del polvo negro para propulsar los proyectiles era un precursor al desarrollo del primer cohete sólido. Los alquimistas chinos del Taoist del siglo IX descubrieron el polvo negro en una búsqueda para el elixir de la vida ; este descubrimiento accidental llevó a las flechas del fuego que eran los primeros motores espaciales para dejar la tierra.
El desarrollo lento de esta tecnología continuó hasta el vigésimo siglo posterior, cuando las escrituras Konstantin Tsiolkovsky primero hablaron de los motores espaciales aprovisionados de combustible líquido .
Éstos se convirtieron en independiente gracias de una realidad al Roberto Goddard .
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