Motor de apogeo líquido

Un motor de apogeo líquido ( LAE , por sus siglas en inglés), o motor de apogeo , se refiere a un tipo de motor de cohete químico que se utiliza normalmente como motor principal en una nave espacial .

El nombre de motor de apogeo deriva del tipo de maniobra para la que se suele utilizar, es decir, un cambio delta- v en el espacio realizado en el apogeo de una órbita elíptica para circularizarla. Para los satélites geoestacionarios , este tipo de maniobra orbital se realiza para pasar de una órbita de transferencia geoestacionaria y colocar el satélite en una órbita geoestacionaria circular . A pesar del nombre, un motor de apogeo puede utilizarse para diversas maniobras, como la desorbitación al final de su vida útil, ^{[ 1 ]} el escape de la órbita terrestre, la inserción en órbita planetaria ^{[ 2 ] [ 3 ]} y el descenso/ascenso planetario. ^{[ 4 ]}

En algunos sectores de la industria espacial, un LAE también se conoce como motor de apogeo líquido (LAM), propulsor de apogeo líquido (LAT) y, según el propulsor, propulsor de apogeo líquido de modo dual (DMLAT). A pesar de la ambigüedad respecto al uso de los términos "motor" y "motor" en estas denominaciones, todos utilizan propulsor líquido. Sin embargo, un motor de impulso de apogeo (AKM) o un motor de impulso de apogeo (ABM), como el Waxwing , utiliza propulsor sólido. ^{[ 5 ]} Estas versiones de propulsor sólido no se utilizan en los satélites de nueva generación. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El motor de apogeo tiene su origen a principios de la década de 1960, cuando empresas como Aerojet , Rocketdyne , Reaction Motors , Bell Aerosystems , TRW Inc. y The Marquardt Company participaron en el desarrollo de motores para diversos satélites y naves espaciales. ^{[ 7 ]}

Los derivados de estos motores originales todavía se utilizan hoy en día y se siguen desarrollando ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} y adaptándolos para nuevas aplicaciones. ^{[ 11 ]}

Un esquema típico de motor de apogeo líquido podría definirse ^{[ 12 ]} como un motor con:

• Alimentación bipropelente líquida hipergólica regulada por presión,
• válvulas solenoides o de motor de par con aislamiento térmico,
• conjunto de inyector que contiene (aunque depende del inyector) galería de oxidante central y galería de combustible externa,
• cámara de combustión radiactiva y refrigerada por película,
• velocidad característica limitada por la capacidad térmica del material de la cámara de combustión,
• El coeficiente de empuje está limitado por la relación de área supersónica de la tobera de expansión.

Para proteger la nave espacial del calor radiante de la cámara de combustión, estos motores suelen instalarse junto con un escudo térmico .

Los motores de apogeo suelen utilizar un combustible y un oxidante. Este propulsor suele ser, pero no se limita a, ^{[ 7 ]} una combinación hipergólica como por ejemplo:

• norte₂ H₄ (hidrazina)/N₂ O₄ (tetróxido de nitrógeno),
• MMH / N₂ O₄ ,
• UDMH / N₂ O₄ .

Las combinaciones de propelentes hipergólicos se encienden al entrar en contacto con la cámara de combustión del motor y ofrecen una fiabilidad de ignición muy alta, así como la posibilidad de reignición.

En muchos casos, los óxidos mixtos de nitrógeno (MON), como el MON-3 (tetróxido de nitrógeno con un 3 % en peso de óxido nítrico ), se utilizan como sustitutos del tetróxido de nitrógeno puro. ^{[ 13 ]}

El uso de hidracina está en peligro en Europa debido a la normativa REACH . En 2011, el marco normativo de REACH incluyó la hidracina en su lista de sustancias candidatas altamente preocupantes . Esta medida aumenta el riesgo de que el uso de hidracina se prohíba o restrinja a corto o medio plazo. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Se están solicitando exenciones para permitir el uso de hidracina en aplicaciones espaciales; sin embargo, para mitigar este riesgo, las empresas están investigando propulsores y diseños de motores alternativos. ^{[ 16 ]} El cambio a estos propulsores alternativos no es sencillo, y cuestiones como el rendimiento, la fiabilidad y la compatibilidad (por ejemplo, el sistema de propulsión del satélite y la infraestructura del sitio de lanzamiento) requieren investigación. ^{[ 15 ]}

El rendimiento de un motor de apogeo se suele expresar en términos de impulso específico en el vacío y empuje en el vacío. Sin embargo, existen muchos otros detalles que influyen en el rendimiento:

• La velocidad característica se ve influenciada por detalles de diseño como la combinación de propelentes, la presión de alimentación del propelente, la temperatura del propelente y la proporción de la mezcla de propelentes.
• El coeficiente de empuje está influenciado principalmente por la relación de área supersónica de la tobera.

Un motor de apogeo líquido hipergólico típico  de clase 500 N tiene un impulso específico en el vacío en la región de 320 s, ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} con un límite práctico estimado en cerca de 335 s. ^{[ 7 ]}

Aunque se comercializan para ofrecer un empuje nominal y un impulso específico nominales en condiciones de alimentación de propulsor nominales, estos motores se someten a pruebas rigurosas donde se evalúa su rendimiento en un rango de condiciones operativas antes de ser considerados aptos para el vuelo . Esto significa que un motor de producción apto para el vuelo puede ser ajustado (dentro de lo razonable) por el fabricante para cumplir con los requisitos específicos de la misión, como un mayor empuje. ^{[ 21 ]}

La mayoría de los motores de apogeo funcionan de forma intermitente a un nivel de empuje fijo. Esto se debe a que las válvulas utilizadas solo tienen dos posiciones: abierta o cerrada. ^{[ 22 ]}

La duración del funcionamiento del motor, a veces denominada duración de la combustión , depende tanto de la maniobra como de la capacidad del motor. Los motores están homologados para una duración mínima y máxima de combustión única.

Los motores también están calificados para proporcionar una duración máxima acumulada de combustión, a veces denominada rendimiento acumulado de propulsor . La vida útil de un motor a un nivel de rendimiento determinado está condicionada por la vida útil de los materiales de construcción, principalmente los utilizados para la cámara de combustión. ^{[ 12 ]}

Se puede establecer una división simplificada entre los motores de apogeo utilizados para telecomunicaciones y misiones de exploración:

1. Las plataformas actuales de naves espaciales de telecomunicaciones tienden a beneficiarse más de un impulso específico elevado que de un empuje elevado. ^{[ 23 ]} Cuanto menos combustible se consuma para entrar en órbita, mayor será la cantidad disponible para el mantenimiento de la posición una vez en órbita. Este aumento en el propulsor restante se traduce directamente en un aumento de la vida útil del satélite, incrementando así la rentabilidad de estas misiones.
2. Las naves espaciales de exploración planetaria, especialmente las más grandes, tienden a beneficiarse más de un empuje elevado que de un impulso específico elevado. ^{[ 24 ]} Cuanto más rápido se pueda ejecutar una maniobra con un alto delta- v , mayor será la eficiencia de esta maniobra y menor será la cantidad de propulsor necesaria. Esta reducción en el propulsor requerido puede traducirse directamente en un aumento de la masa de la plataforma y la carga útil (en la etapa de diseño), lo que permite un mejor retorno científico en estas misiones. ^{[ 12 ] [ 23 ]}

El motor elegido para una misión depende de los detalles técnicos de la misma. Consideraciones más prácticas, como el coste, el plazo de entrega y las restricciones a la exportación (por ejemplo, ITAR ), también influyen en la decisión.

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