Motor foguete

Proba dun motor SSME, adicado a propulsar os transbordadores espaciais.

Un motor foguete utiliza propelente almacenado como masa de reacción para xerar un chorro ou fluído propulsivo de alta velocidade, normalmente gas a alta temperatura. Os motores foguetes son motores a reacción, que producen impulso mediante a exección de masa segundo a lei de acción e reacción de Isaac Newton. A maior parte dos motores foguete usan a combustión de substancias químicas para prover a enerxía necesaria, aínda que tamén se usan motores sen combustión, como os propulsores de gas frío e os motores iónicos. Aos vehículos propulsados por motores foguete se lles chama habitualmente foguetes. Os foguetes químicos levan o seu propio oxidante a bordo, polo que poden funcionar no baleiro.

En comparación con outro tipo de motores, os motores foguete son máis lixeiros e proporcionan máis pulo pero son os menos eficientes por cantidade de propelente (tecnicamente, teñen o menor impulso específico). O propelente ideal é o hidróxeno, o elemento máis lixeiro, mais os foguetes químicos adoitan usar unha mestura de substancias máis pesadas, diminuíndo a velocidade dos gases de escape.

Principios de funcionamento

Os motores foguete producen pulo pola expulsión dun fluído acelerado a alta velocidade a través dunha tobeira. O fluído adoita ser gas creado pola combustión a alta presión (de 10 a 300 bares) de propelentes líquidos ou sólidos, consistentes dun oxidante e un combustible, nunha cámara de combustión. A medida que os gases se expanden pola tobeira son acelerados a velocidades supersónicas, producindo como reacción o pulo en sentido contrario do motor (e o foguete).

Propelente

O propelente dos foguetes almacénase habitualmente en tanques ou ás veces na propia cámara de combustión antes de ser exectado do motor en forma de chorro de fluído para producir pulo. O propelente químico é o tipo de propelente máis habitual, sufrindo unha reacción química exotérmica que produce gas quente. O propelente sólido prepárase como unha mestura de oxidante e combustible en forma de "grans" e o contedor do propelente convértese efectivamente na propia cámara de combustión.

Inxección

Os motores de propelente líquido separan oxidante e combustible ata levalos á cámara de combustión, onde se mesturan e queiman. Os motores foguete híbridos usan unha combinación de propelente sólido e líquido ou gaseoso. Os motores tanto líquidos como híbridos usan inxectores para introducir o propelente na cámara. Os inxectores poden consistir en simples buratos a través dos que o propelente entra baixo presión ou consistir en mecanismos máis complexos que o dispersan e vaporizan. Cando se usan dous ou máis propelentes os inxectores se deseñan para mesturar os fluxos vaporizados para unha mellor combustión.

Cámara de combustión

Para os motores de combustión química a cámara de combustión e tipicamente cilíndrica. Na cámara acádanse temperaturas e presións extremas. O propelente ten que ser inxectado na cámara a unha presión maior da que hai na mesma, o que pode facerse por diversos medios, entre eles o uso de turbobombas ou presurizando os tanques mediante helio ou gas a alta presión sangrado do propio motor.

Tobeira

O pulo do motor prodúcese polas presións actuando na cámara de combustión e na tobeira.

Os gases quentes producidos pola combustión escapan pola apertura do motor (a gorxa) e pasan a unha sección de expansión. Cando se lle proporciona suficiente presión á tobeira (entre 2,5 e 3 veces a presión ambiente) fórmase un fluxo supersónico, co gas acelerándose e coa maior parte da enerxía térmica converténdose en enerxía cinética. A velocidade dos gases de saída varían en función da relación de expansión para o que está deseñada a tobeira, pero poden chegar a ser ata dez veces a velocidade do son ao nivel do mar. Aproximadamente a metade do pulo do motor foguete provén do desequilibrio de presións dentro da cámara de combustión e o resto, da presión contra as paredes da tobeira. A medida que o gas se expande, a presión contra as paredes da tobeira empuxa o foguete nunha dirección mentres que o gas acelérase na outra.

Tipos de expansión en tobeiras.

O tipo de tobeira máis usado é a tobeira de Laval, unha tobeira de xeometría fixa cunha gran taxa de expansión. É a clásica tobeira con forma de campá que se estende máis aló da gorxa do motor.

A presión estática de saída dos gases depende da presión da cámara e a taxa entre as áreas da gorxa e da tobeira. As tobeiras poden clasificarse segundo a variación da presión de saída con relación á presión ambiente en:

• Subexpandidas, nas que a presión de saída é superior á do ambiente.
• Perfectamente expandidas, nas que a presión de saída é igual á do ambiente.
• Sobreexpandidas, coa presión de saída inferior á do ambiente, aparecendo un patrón de diamantes de choque.
• Esaxeradamente sobreexpandidas, formándose unha onda de choque no interior da tobeira.

Na práctica, a expansión perfecta acádase unicamente con tobeiras de área variable, dado que a presión ambiente disminúe coa altura, e non é posible por enriba de certa altitude ao aproximarse a presión ambiente a cero. Se a tobeira non é perfectamente expandida pérdese rendemento. As tobeiras esaxeradamente sobreexpandidas perden menos eficientes pero poden causar problemas mecánicos. As tobeiras cunha área fixa perden eficiencia progresivamente coa altura ao subexpandirse progresivamente. Case tódalas tobeiras tipo de Laval son polo menos momentaneamente esaxeradamente sobreexpandidas ao inicio do voo atmosférico.

Presión posterior e expansión óptima

Para acadar un rendemento óptimo, a presión do gas na saída da tobeira debe ser igual á presión ambiente: se a presión de saída é inferior á ambiente o vehículo será freado pola diferenza de presión entre a parte superior do motor e a parte exterior da tobeirea, e se é superior, a presión de saída non se pode converter totalmente en pulo e desperdiciase enerxía.

Para manter a presión ideal o diámetro e lonxitude da tobeira deberían aumentar coa altura á que está o vehículo, permitindo aos gases expandirse e a súa presión diminuír para igualar á da contorna exterior. Mecanicamente é complicado construír unha tobeira de Laval así e que sexa ao mesmo tempo lixeira, aínda que con outros tipos de tobeiras (como as tobeiras de tapón, as tobeiras de expansión e os aerpopicos) menos convencionais se pode facer que o rendemento se manteña óptimo na maior parte da viaxe ata órbita.

Cando o motor funciona a presións moi baixas ou no baleiro xorden varias dificultades adicionais. Unha delas é o peso morto que supón a tobeira máis aló de certo punto no que o seu rendemento xa non é unha vantaxe. Ademais, a medida que os gases de saída se expanden adiabaticamente no interior da tobeira, arrefríanse, co que os compostos químicos que os forman poden conxelarse, producindo 'neve' dentro do chorro, producindo inestabilidades.

Eficiencia do propelente

Para que un motor foguete sexa eficiente con respecto do propelente é importante que as presións na cámara de combustión e na tobeira sexan o máis altas posibles. Isto pode ser acadado mediante:

• Quecemento do propelente á maior temperatura posible (por exemplo mediante o uso dun propelente de alta enerxía ou incluso de enerxía nuclear).
• O uso dun gas de baixa densidade específica (canto máis cantidade de hidróxeno teña o propelente, mellor).
• O uso de propelentes compostos (ou que se descompoñen) por moléculas simples con poucos graos de liberdade para maximizar a velocidade traslacional.

Pulo vectorial

Durante o voo os foguetes necesitan xeralmente cambiar a súa dirección. Isto pode acadarse de diferentes xeitos:

• Co motor enteiro montado nun sistema de gonzos ou cardán que poden movelo para apuntar na dirección necesaria.
• Con unicamente a cámara de combustión e a tobeira montada nun sistema móbil.
• Con varios motores montados en ángulos lixeiramente distintos consíguese cambiar a dirección aplicando diferentes pulos.
• Paletas de alta temperatura que se insertan no fluxo de escape e modifican o chorro de saída.

Véxase tamén

Outros artigos

• Foguete