00_Leccion-09a_MCPS_Propulsantes-solidos

Vista previa del material en texto

MOTORES COHETE
Grado en Ingeniería Aeroespacial (Curso 4º)
Juan Manuel Tizón Pulido 
jm.tizon@upm.es
Departamento de Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial
Lección 9a:  Propulsantes Sólidos
•Tipos
•Características
•Proceso de combustión
•Ley de Vielle
•Combustión erosiva
J. M. Tizón
Sustancias y Función
J. M. Tizón
Oxidantes y Combustibles (Oxidizers and fuels)
Son los ingredientes principales de un propulsante sólido cuya función es reaccionar entre si liberando gran cantidad de energía. El
oxidante mas habitual es AP, ya que presenta buenas características como son: compatibilidad con otras sustancias, buenas
características propulsivas (bajo peso molecular de productos y alta temperatura de combustión), no es higroscópico, detonabilidad
aceptable, precio razonable, etc. También se usan AN y KN que con prestaciones propulsivas inferiores pueden ser mas baratos y
presentan gases de salida sin humo ni toxicidad.
Como combustibles se encuentran algunos metales (como por ejemplo, Al y Bo). El mas usado con diferencia es el aluminio en
forma de partículas de pequeño tamaño (5-60 m) que en proporciones de hasta el 20% produce un aumento considerable de
densidad, temperatura e impulso especifico.
Por otra parte, un numero apreciable de sustancias pueden actuar como oxidantes o reductores, como la NC.
Ligantes (Binders)
Los ligantes proporcionan una base estructural que caracteriza el comportamiento del propulsante solido en la respuesta mecánica,
el proceso de fabricación y el envejecimiento. Sustancias habituales son HTPB, CTPB y NG, cuyo papel energético es el de
combustibles que se recombinan con el oxidante. Eventualmente, se utiliza, GAP, también como ligante energético.
Catalizadores (Burning-rate catalyst)
Se utilizan catalizadores que modifican el ritmo de reacción de la superficie del solido para adaptarlo a las necesidades del diseño.
Sustancias como el oxido de hierro incrementa el ritmo de velocidad de recesión de la superficie, mientras que el fluoruro de litio la
disminuye, por ejemplo.
Plastificantes (Plastidizers)
A menudo se facilitan los procesos de fabricación añadiendo sustancias que contribuyen a mejorar las características y que como
en el caso de emplear NG, GAP o DEP, contribuyen de forma apreciable en las reacciones de combustión.
Agentes de curado (Curing agents or crosslinkers)
La misión de los agentes de curado es la de inducir la formación de largas cadenas y las uniones intermedias entre estas que
desembocan en la estructura final de los polímeros empleados en propulsantes solidos. En proporciones muy bajas, tienen un
efecto importante en las propiedades físicas finales, así como en los procesos de conformación o en el posterior envejecimiento.
Otros aditivos
Además de los productos enumerados se emplean gran cantidad de ingredientes con funciones diversas. Opacidizadores que
impiden el calentamiento interior del propulsante por radiación. Agentes adhesivos que facilitan el pegado del propulsante con la
cámara del motor. Desensibilizadores que aumentan la resistencia a la ignición haciendo la manipulación más segura. Etc.
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Sustancias: Denominaciones
J. M. Tizón
Propulsantes: Estructura química
J. M. Tizón
Propulsante Formula Observaciones
Aluminum Al Combustible
Ammonium Di‐Nitramide (ADN) H4N4O4 Oxidante
Ammonium perchlorate (AP) ClH4NO4 Oxidante
Ammonium nitrate (AN) H4N2O3 Oxidante
Glycidyl Azide Polymer (GAP) Ligante energético
Hydrazinium Notro Formate (HNF) N2H5C(NO2)3 Ligante energético
HTPB C10H15,385O0,073 Ligante
Nitrocellulose (NC) C6H7O5(NO2)3 Base simple
Nitroglycerine (NG) C3H5(ONO2)3 Base simple
Polyethene (PE) (C2H4)n Ligante
Potassium perchlorate (KP) ClKO4 Oxidante
HMX or Octogen C4H8N4(NO2)4 Explosivos
RDXor cyclonite, hexogen C3H6N3(NO2)3
Propiedades físico-químicas
Los materiales energéticos están compuestos por componentes reductores y oxidantes dentro de su estructura química.
Los componentes reductores incorporan átomos de carbono e hidrógeno mientras que los oxidantes, como el NO2,
incorporan átomos de carbono, nitrógeno u oxígeno en hidrocarburos para formar grupos como C-NO2 , N-NO2 o O-NO2. La
rotura de los enlaces N-N u O-O genera gran cantidad de energía formando CO2 y N2.
El proceso de combustión de los propulsantes solidos depende de las características físicas y químicas de los
componentes, de la proporción en que aparecen en la formulación del propulsante, de como están mezclados, de la
presencia de aditivos y catalizadores, así como, de la presión a la que tiene lugar el proceso y la temperatura inicial a la que
se encuentran.
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Balance de oxígeno
J. M. Tizón
Definición
El índice de oxigeno de un propulsante es la cantidad de oxigeno (porcentaje en peso) que resulta liberado cuando se
produce la conversión completa de C, H, S, Al, y otros, en productos como CO2, H2O, SO2, Al2O3 y otros. Si se
produce un exceso de oxigeno el balance es positivo, por el contrario si para formar los productos se consume oxigeno
adicional, el balance es negativo.
100
	 	 	 	 2	 	 	
	 	 	 	
Ejemplo
RDX (C3H6O6N6)
Para calcular el IOX utilizamos los átomos:
3C produce 3 CO2, necesita 6 átomos de oxigeno
6H produce 3 H2O, necesita 3 átomos de oxigeno
6N produce 3 N2, necesita 0 átomos de oxigeno
En consecuencia el RDX necesita 9 átomos de oxigeno y
cuenta con 6, dando un balance negativo de
3X15,9994=47.998 gramos de oxigeno frente a los 222.117
gramos de peso molecular de la sustancia, dando un indice
de oxigeno BO = -22.61 %.
Pablo
Propulsantes sólidos
J. M. Tizón
Características deseables
El propulsante solido de un motor cohete juega un papel primordial en las actuaciones del sistema. A diferencia de
los propulsantes líquidos, que permanecen almacenados a la espera de ser utilizados, los propulsantes solidos
conforman la cámara de combustión en la que son consumidos con responsabilidades que exceden las de
cualquier otro elemento del motor. Participa en el proceso de sumisito de propulsante y su control por medio de sus
propiedades balísticas y el área de combustión, determina directamente la presión de funcionamiento de la tobera,
participa en la integridad estructural del sistema, aísla térmicamente grandes zonas del motor, participa en la
dinámica y estabilidad aerodinámica del vehículo.
Por estos motivos la lista de requisitos es larga:
• Temperatura de combustión alta.
• Bajo peso molecular de productos.
• Alta densidad.
• Buenas propiedades mecánicas.
• Buenas propiedades de adherencia.
• Resistencia al envejecimiento.
• Características adecuadas de ignición.
• Seguridad en la manipulación y fabricación.
• Comportamiento reproducible.
• Bajo coeficiente de expansión térmica.
• Baja producción de humo.
• Ausencia de productos tóxicos.
• Baja absorción de agua.
• Baja sensibilidad a la temperatura inicial.
• Bajo exponente de presión.
• Fenómeno de combustión erosiva moderado.
CLASIFICACIÓN
J. M. Tizón
PROPULSANTES HOMOGENEOS
El solido es homogéneo, oxidante y reductor se combinan a nivel molecular de tal forma que, en principio, se trata de una
única sustancia como la nitrocelulosa (NC), aunque lo mas habitual es la mezcla a nivel coloidal de nitrocelulosa y
nitroglicerina (NC y NG) denominándose propulsantes de doble base.
– Single-base propellant: El ingrediente principal es NC disuelta en alcohol etílico. Se suelen añadir pequeñas cantidades de estabilizadores y
supresores de llama, así como, otras sustancias que mejoran su proceso.
– Double-base propellant: El propulsantes solido homogéneo más utilizado, combinando NC y NG (a veces se sustituye esta última por TMETN o
DEGDN). La nitroglicerina, liquida a temperatura ambiente, se gelatiniza y estabiliza por medio de la nitrocelulosa resultando en propulsantes de
moderadas características propulsivas y baja emisión de humos en los productosde combustión.
– Triple-base propellant: Se puede añadir NQ a la convencional composición de NG y NC para obtener un propulsante que produce mas cantidad de
átomos de hidrogeno disminuyendo el peso molecular de los productos y mejorando, en consecuencia, el impulso especifico.
PROPULSANTES MIXTOS (CMDB, EMCDB*)
Se puede incrementar la energía liberada en los propulsantes de doble base (NG + NC) añadiendo partículas de AP, HMX o
RDX, (CmDB) o añadir ligantes elastoméricos que mejoran las características físicas y permiten añadir mas nitramidas
(EMCDB) o añadir particulas de solidos cristalinos como AP o Al incrementando el impulso y la densidad (CMDB) resultado en
un propulsante cuyas características caen a medio camino entre un propulsante homogéneo y otro heterogéneo.
PROPULSANTES HETEROGENEOS (Composite propellant)
Los propulsantes heterogéneos (propulsante compuesto) se consiguen mediante la mezcla de partículas de oxidantes
cristalinos y un ligante (binder) de matriz polimérica. Los oxidantes habituales son AP y AN por su alta capacidad de producir
oxigeno en su descomposición. Típicamente se utilizan hidrocarburos como HTPB, CTPB y PBAN. Para incrementar la
energía desplegada se pueden añadir partículas de Aluminio o Boro que aumentan apreciablemente el impulso especifico.
– El propulsante compuesto mas utilizado en AP-HTPB y a menudo aluminizado AP-HTPB-Al. En el caso de no utilizar aluminio los productos de
combustión está presente un humo blanco producido por la hidrólisis con la humedad ambiente del HCL. Cuando se añade aluminio la situación se
agrava por la presencia de partículas sólidas de oxido de aluminio. La situación anterior se evita utilizando AN en vez de AP que elimina el cloro.
– Es posible la utilización como ligante de DEGN. Por otra parte, se ha ensayado la utilización de explosivos cristalinos como RDX y HMX. Es posible
añadir NC o NG mejorando las características propulsivas, haciendo la manipulación más segura, etc.
Existe una terminología propia para definir las diferentes familias de propulsantes, EDB: extruded double‐base, CDB: cast double‐base,CmDB: Cast‐modified
double‐base, EMCDB: Elastomeric‐modified cast double‐base, CMDB: Composite modified double‐base propellant.
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Familias de propulsantes
J. M. Tizón
Extruded double-base (EDB)
Se trata de la clásica combinación en la que se impregna NC (lo mas habitual es con un 12.6% de nitrógeno) con NG en agua para
obtener una pasta. La solubilidad y plasticidad depende del contenido de nitrógeno. Finalmente se añaden aditivos, estabilizadores,
modificadores de velocidad de recesión , supresores de llama y otros. El producto se conforma por extrusión a la forma deseada. El
diámetro máximo esta limitado a unos 300 mm pudiéndose obtener longitudes grandes. También, es posible algún tipo de mecanización.
Cast double-base (CDB)
Con ingredientes similares a los EDB se obtienen mediante colada de una mezcla de NG y un plastificador inerte en un molde (incluso la
propia carcasa del motor) que contiene NC en polvo y diversos aditivos. El disolvente de curado actúa durante varios días a alta
temperatura (60 ºC). Las restricciones de tamaño son menores y existe la posibilidad de moldear geometrías tridimensionales complejas.
Composite modified double-base (CMDB)
Partiendo del proceso que da lugar a los CDB se añaden solidos energéticos y NG aumentando el nivel energético del propulsante.
Cuando estos propulsantes solo contienen partículas de nitramidas (HMX y RDX) se obtienen propulsantes que producen la mínima
cantidad posible de humo, ya que, hay muy pocas partículas condensadas en la salida y ausencia de condensación secundaria.
Elastomeric modified cast double-base (EMCDB)
Desarrollados en el Reino Unido proporcionan mejores características mecánicas y adhesivas. Se producen de forma similar a los CDB y
CMDB pero se añade un pre polímero (como poliéster o policaprolactonato) y un isocianato como agentes de curado en el disolvente de
colada.
Composite propellant
Basados en un polímero poco energético y altos niveles de AP. Pueden contener o no polvo de aluminio como combustible. Se obtienen
mediante mezcla física de los componentes en condiciones de vacío y un posterior proceso de curado para obtener el solido final. Los
propulsantes sin aluminio se denominan de humo reducido por la ausencia de humo primario. La aparición de agua condensada en el
penacho debido a la acción del clorhídrico depende de las condiciones atmosféricas.
High energy propellant
Se da este nombre a composiciones basadas en una base plastificada por éster nítrico y solidos energéticos como las nitramidas.
También pueden contener AP y polvo de aluminio. En ocasiones se les denomina cross-linked double-base (XLDB) aunque no haya NC
en el ligante. El sistema de producción es similar al de los propulsantes compuestos. Presenta buenas características mecánicas que los
hacen buenos candidatos para colarlos sobre la carcasa del motor al tener bajo módulo elástico y alta elongación
Davenas, A,  Ed. “Solid Rocket Propulsion Technology”, Pergamos Press, 1993
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Pablo
Familias de propulsantes
J. M. Tizón
Ecuación del cohete
El incremento de velocidad generalizado es:
Selección preliminar
J. M. Tizón
1ln ln
1
  
 
i
sp spgral
i p p i
MV I I
M M M M
Si el gasto de propulsante es pequeño
ln 1 p psp sp sp pgral
i i
M M
V I I I
M M

 
     
 
En el caso general el parámetro relevante será
sp pgral
V I  
Con el exponente entre 0.15 y 1
p
spI HMX
HTPB
XLDB
DB
Familias de propulsantes
J. M. Tizón
Formulación de propulsantes
J. M. Tizón
Temperatura adiabática de combustión e impulso específico de la combustión del propulsante AP-HTPB con aluminio.
(Kubota, N. “Propellant and Explosives: Thermochemical Aspect of Combustion”, Second Ed., Wiley-VCH, 2007)
Formulación de propulsantes
J. M. Tizón
Composición de Equilibrio
J. M. Tizón
Temperatura adiabática de combustión, impulso específico, peso molecular medio y composición de la combinación de HMX y GAP.
(Kubota, N. “Propellant and Explosives: Thermochemical Aspect of Combustion, Second Ed., Wiley-VCH, 2007)
Ejemplos: Doble Base
J. M. Tizón
Ref.: CORNELISSE et al. “Rocket Propulsion and Spaceflight Dynamics”, Pitman London, 1979.
Ejemplos: Compuestos
J. M. Tizón
Aplicaciones
J. M. Tizón
Aplicación Composición rp[mm/s]
p
[kg/m3]
Tf
[K]
M
[g/mol]

[‐]
p
[%/K]
Minuteman AP 70%, Al 16%, Binder + additives 14% 8.9  1760 3472
Orbus 6 AP 68%, Al 18%, HTPB + additives 14% 7.0  1758 3672
Ariane 5 SRB AP 68%, Al 18%, HTPB 14% 8.9  1770 3329 27.4 1.14
(Flexadyne RDS‐556) AP 69%, Al 14%, CTPB + additives 17% 37.8  1747 3246 26.9 1.20
Ariane 3 & 4 SRB
(Flexadyne CTPB16‐13)
AP 71%, Al 16%, CTPB + 
additives 13%
Space Shuttle SRB
AP 69.9%, AL 16%, ECTV 
1.5%, Fe Oxide 0.1%, PBAN 
12.5%
7.4 1772 3480 27.8 1.18 0.20
Star 48 & Star 37
(TP‐H‐3340 ) AP 71%, AL 18%, HTPB 11% 7.2 1800 3396
0.18
Objetivos del análisis/experimentación
• Describir los fenómenos que tienen lugar (para poder modelarlos).
• Determinar las variables de las que depende la velocidad de recesión.
• Obtener la velocidad de recesión.
Proceso de combustión
J. M. Tizón
Combustión de propulsantes DB
J. M. Tizón
Velocidad de combustión (DB)
J. M. Tizón
Lengellé, G et al., “Combustion of Solid Propellant”, RTO‐EN‐023, 2002
Velocidad de combustión (DB)
J. M. Tizón
Kubota, N., “Propellant and Explosives: Thermochemical Aspect of Combustion, Wiley‐VCH, 2002 
Combustión de Prop. Compuestos
J. M. Tizón
Características como monopropulsantes
Combustión de Prop. Compuestos
J. M. Tizón
Flame complex for an AP‐binder‐AP sandwich Flame over AP‐particles in the matrix
Combustión de Prop. Compuestos
J. M. Tizón
Velocidad de recesión
Influencia de la presión
La influencia de la presión es similar a la descritapara propulsantes de doble base en el sentido de que aumento
de la presión origina un estrechamiento de las distancias de llama a superficie y espesores térmicos. Este hecho
determina la influencia del tamaño de partículas en el sentido que si estas son mas grandes o mas pequeñas que
los tamaños característicos de las capas de térmicas.
Influencia del tamaño de partículas de AP
• A presiones bajas el ritmo de recesión es bajo y los espesores de las capas térmicas altos, grandes en
comparación con el tamaños de las partículas. En fase gaseosa los efectos inhomogeneos no se notan, los
reactantes se mezclan en distancias grandes y el ritmo de combustión esta controlado por cinética química. El
tamaño de las partículas tiene poca influencia.
• A presiones intermedias (1-15MPa), los efectos de la difusión de los reactantes en fase gaseosa se dejan notar
y las estructura que se observa es la de llamas de premezcla y difusión actuando simultáneamente. En este
rango los exponentes de la velocidad de recesión son moderados (entre 0.3 y 0.4) y el tamaño de las partículas
de AP tiene un influencia notable aumentando la velocidad de combustión al disminuir su tamaño, debido a que
disminuyan las escalas de mezcla acercando a la superficie las llamas e incrementando los flujos de calor.
• A altas presiones (por encima de 15MPa) aparece un nuevo régimen con exponentes de la presión elevados (0.6
a 0.7) en el que la presión modifica los ritmos de descomposición y reacción del AP.
Influencia de los aditivos
En este tipo de propulsantes los aditivos modifican principalmente las propiedades térmicas (tamaños y espesores
de las capas térmicas) de las sustancias tanto en fase solida como gaseosa.
Velocidad de recesión
J. M. Tizón
Ley De Vieille (1893)
Las figuras muestran los resultados experimentales típicos obtenidos con probetas cilíndricas en las que se aprecia la
posibilidad de expresar la velocidad de recesión mediante una ley exponencial en función de la presión de
funcionamiento conocida como Ley de Vieille:
El valor de la velocidad de recesión depende de la temperatura inicial del propulsante.
 0,  np c pr ap a a T
Velocidad de recesión
J. M. Tizón
Temperatura inicial
La temperatura inicial del propulsante tiene influencia en el valor de la
velocidad de recesión.
Habitualmente se incorpora su efecto en el coeficiente empírico que
multiplica a la presión en la Ley de Vieille mediante el uso de un
coeficiente de sensibilidad, definido como
Como
Se sigue fácilmente
 0 0 

ref
p p pT T
ref
n
p c
a a e
r ap
0
1
 
    


p
p
p p p
r
r T
0 0 0
ln ln ln
       
                   
 np
p
p p pp p p
r ap a
T T T
Combustión erosiva
J. M. Tizón
Resultados experimentales
En motores de combustión lateral la velocidad de recesión
del propulsante es mayor que la que proporciona la ley de
Vieille y depende, además, del gasto másico o de la
velocidad media en la sección considerada. Este efecto es
denominado “combustión erosiva”.
Habitualmente se modifica la ley de recesión para tener en
cuanta el efecto en los modelos fluidodinámicos que se
establecen para el calculo en el interior de las cámaras de
combustión:
Las correlaciones empíricas recogen la influencia del
numero de Mach en la sección y un valor umbral de este,
por debajo del cual no son significativos los efectos de
combustión erosiva.
  1 mnp c m ur ap K M M  
Determinación de rb
J. M. Tizón
BOMBA CRAWFORD MEDIDA DEL EFECTO DE LA VELOCIDAD
Recordatorio
J. M. Tizón
Propulsantes
• Sustancias, funciones, naturaleza.
• Formulación, estructura química
• Índice de oxigeno
• Características deseables
• Clasificación, familias de propulsantes
• Impulso-densidad
• Velocidad de recesión
• Ejemplos de formulación. Valores típicos
• Procesos de combustión
 Influencia de la presión
 Influencia de la estructura
Velocidad de recesión
• Ley de Vieille
 Formula potencial
 Influencia de la temperatura inicial
• Influencia de la velocidad cruzada
• Medida experimental
n
p cr ap