Ciclo de expansión

El ciclo de expansión es un ciclo de potencia de un motor cohete de combustible líquido bipropelente . En este ciclo, el combustible se utiliza para enfriar la cámara de combustión del motor, absorbiendo calor y cambiando de fase. El combustible, ahora calentado y en estado gaseoso, impulsa la turbina que acciona las bombas de combustible y oxidante del motor antes de ser inyectado en la cámara de combustión y quemado.

Debido al cambio de fase necesario, el ciclo de expansión está limitado por el empuje según la ley del cuadrado-cubo . Cuando se escala una boquilla en forma de campana, el área de la superficie de la boquilla para calentar el combustible aumenta con el cuadrado del radio, pero el volumen de combustible a calentar aumenta con el cubo del radio. Por lo tanto, más allá de aproximadamente 3000 kilonewtons (670 000 libras-fuerza ) de empuje, ya no hay suficiente área de boquilla para calentar suficiente combustible para impulsar las turbinas y, por lo tanto, las bombas de combustible. ^{[ 1 ]} Se pueden lograr niveles de empuje más altos utilizando un ciclo de expansión de derivación donde una porción del combustible evita los conductos de enfriamiento de la turbina y/o la cámara de empuje y va directamente al inyector de la cámara principal. Los motores aerospike no toroidales no están sujetos a las limitaciones de la ley del cuadrado-cubo porque la forma lineal del motor no se escala isométricamente: el flujo de combustible y el área de la boquilla se escalan linealmente con el ancho del motor. Todos los motores de ciclo expansor necesitan utilizar un combustible criogénico como hidrógeno líquido , metano líquido o propano líquido que alcance fácilmente su punto de ebullición .

Algunos motores de ciclo expansor pueden utilizar algún tipo de generador de gas para arrancar la turbina y hacer funcionar el motor hasta que aumente el aporte de calor procedente de la cámara de combustión y la falda de la tobera a medida que se acumula la presión en la cámara.

Algunos ejemplos de un motor de ciclo expansor son el RL10 de Aerojet Rocketdyne y el motor Vinci para Ariane 6. ^{[ 2 ]}

El ciclo de purga del expansor (también conocido como ciclo abierto del expansor y derivación del refrigerante) es una modificación del ciclo de expansión estándar en la que solo una porción del propulsor calentado se dirige a través de la turbina y luego se expulsa al exterior en lugar de entrar en la cámara de combustión. El propulsor restante se inyecta en la cámara de combustión. La purga de los gases de escape de la turbina puede aumentar la eficiencia de la turbobomba al reducir la contrapresión y aumentar la caída de presión a través de la turbina. En comparación con un ciclo de expansión estándar, la desventaja es un mayor empuje del motor a expensas de la eficiencia, ya que parte del propulsor se desecha después de pasar por la turbina. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Mitsubishi Heavy Industries de Japón ha desarrollado varios motores de ciclo de expansión y purga. El LE-5A de la compañía se convirtió en el primer motor de ciclo de expansión y purga en entrar en servicio operativo cuando voló en el cohete H-II en 1994. ^{[ 5 ]} El LE-9 se convirtió en el primer motor de ciclo de expansión y purga diseñado para uso en la primera etapa en entrar en servicio cuando debutó en el cohete H3 en 2023. ^{[ 6 ]} En 2026, el H3-30 se convirtió en el primer vehículo de lanzamiento cuyo sistema de propulsión consistía completamente en motores de ciclo de expansión y purga.

Blue Origin eligió el ciclo de purga del expansor para el motor BE-3U utilizado en la etapa superior de su vehículo de lanzamiento New Glenn . ^{[ 7 ]}

De forma similar a como la combustión por etapas puede implementarse por separado en el oxidante y el combustible en el ciclo de flujo completo , el ciclo de expansión puede implementarse en dos vías separadas como el ciclo de doble expansión . El uso de gases calientes de la misma química que el líquido para el lado de la turbina y la bomba de las turbobombas elimina la necesidad de purgas y algunos modos de falla. Además, cuando la densidad del combustible y el oxidante es significativamente diferente, como es el caso de H₂ / LOX , las velocidades óptimas de _la turbobomba difieren tanto que necesitan una caja de engranajes entre las bombas de combustible y oxidante. ^{[ 8 ] [ 9 ]} El uso del ciclo de doble expansión, con turbinas separadas, elimina este equipo propenso a fallas. ^{[ 9 ]}

El ciclo de doble expansión puede implementarse utilizando secciones separadas en el sistema de enfriamiento regenerativo para el combustible y el oxidante, o bien utilizando un solo fluido para el enfriamiento y un intercambiador de calor para hervir el segundo fluido. En el primer caso, por ejemplo, se podría usar el combustible para enfriar la cámara de combustión y el oxidante para enfriar la boquilla . En el segundo caso, se podría usar el combustible para enfriar todo el motor y un intercambiador de calor para hervir el oxidante. ^{[ 9 ]}

El ciclo de expansión presenta varias ventajas sobre otros diseños:

Baja temperatura

Una vez que se convierten en gas, los propelentes suelen estar cerca de la temperatura ambiente y causan muy poco o ningún daño a la turbina, lo que permite reutilizar el motor. En cambio, los motores de combustión con generador de gas o de combustión por etapas operan sus turbinas a alta temperatura.

Tolerancia

Durante el desarrollo del RL10, los ingenieros temían que la espuma aislante instalada en el interior del tanque se desprendiera y dañara el motor. Para comprobarlo, colocaron espuma suelta en un tanque de combustible y la hicieron circular por el motor. El RL10 la procesó sin problemas ni una degradación notable del rendimiento. Los generadores de gas convencionales son, en la práctica, motores de cohete en miniatura, con toda la complejidad que ello implica. El bloqueo, incluso de una pequeña parte, de un generador de gas puede provocar un punto caliente, lo que puede causar una pérdida violenta del motor. El uso de la tobera del motor como generador de gas también lo hace muy tolerante a la contaminación del combustible debido a los canales de flujo de combustible más amplios que utiliza.

Seguridad inherente

Debido a que un motor de ciclo expansor de tipo campana tiene un empuje limitado, se puede diseñar fácilmente para que soporte sus condiciones de empuje máximo. En otros tipos de motores, una válvula de combustible atascada o un problema similar puede provocar que el empuje del motor se descontrole debido a sistemas de retroalimentación no intencionados. Otros tipos de motores requieren controladores mecánicos o electrónicos complejos para evitar que esto suceda. Los ciclos expansores, por su diseño, son incapaces de fallar de esa manera.

Mayor rendimiento de vacío

En comparación con un motor de alimentación a presión , los motores de alimentación por bomba y, por lo tanto, los motores de ciclo expansor, tienen presiones más altas en la cámara de combustión. El aumento de la presión en la cámara de combustión permite una reducción del área de la garganta A _th y, por consiguiente, conduce a una mayor relación de expansión, e = A _e /A _th para un área de salida de la boquilla idéntica A _e , lo que en última instancia resulta en un mayor rendimiento en vacío.

Los motores de ciclo expansor incluyen los siguientes:

• Aerojet Rocketdyne RL10 ^{[ 10 ]}
• Pratt & Whitney RL60
• ArianeGroup Vinci
• CADB y Pratt & Whitney RD-0146
• YF-75D chino
• Mitsubishi Heavy Industries LE-5A / 5B
• Mitsubishi Heavy Industries LE-9
• Aerojet Rocketdyne y MHI MARC-60 (MB-60)
• Blue Origin BE-3U y BE-7
• Avio M10
• Cohete de demostración para operaciones cislunares ágiles (DRACO)

• Ciclo del generador de gas
• Ciclo de desconexión de la combustión
• Ciclo de combustión por etapas
• Motor alimentado a presión
• Motor alimentado por bomba eléctrica

• ciclos de potencia de cohetes