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MOTORES COHETEClases PrácticasClases Prácticas
Curso 5º A2 y BJuan Manuel Tizón Pulido
http://webserver.dmt.upm.es/zope/DMT/Members/jmtizon/motores-cohete-1
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CAPITULO 18CAPITULO 18Motores cohete de propulsante liquido:p p q
Sistemas de alimentación• ClasificaciónClasificación• Modelos simplificados de análisis• Almacenables: Elementos y esquemas • Rango de aplicación
Selección. Peso de los sistemasComparación con sistemas turboalimentadosComparación con sistemas turboalimentados
• Sistemas de alimentación con regulador.Modelo de análisis de actuaciones.Operación óptima. Diseño para mínimo peso.
• Sustancias de presurización
Capítulo 3: Motor Cohete Ideal
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CLASIFICACIÓN P l lí idCLASIFICACIÓN: Propulsante líquido
Presurización activa(t b li t d )
Presurización pasiva( i t )(turboalimentado) (gas inerte)
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TURBOBOMBAS A áli i i lifi dTURBOBOMBAS: Análisis simplificadobomba turbina
Ecuación de acoplamiento:eje
b m tW Wη=Ecuación de acoplamiento:
bmtm
b b t tm mτ η τ= b
( )1 bb m t p te ts
pm m C T TηΔ= −
b b m t tm mτ η τ
( )b m t p te tsb
ηη ρ
( )( )( )11 1bpm m C T p p γ γη η −Δ ( )( )1bb m t p te t ts te
b
m m C T p pη ηη ρ
= −
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TURBOBOMBAS A áli i i lifi dTURBOBOMBAS: Análisis simplificado
( )( )( )11 1bp C T γ γ−ΔEcuación de l i t
21⎧⎪
( )( )( )11bb m t p te t ts te
b
pm m C T p p γ γη ηη ρ
= −acoplamiento:
212i c i
i i D i
p p Vm V C A
ρρ
⎧ = +⎪⎨
=⎪⎩
Inyección en la cámara:
( ), ,...i j b tm f m m=Ecuaciones de
continuidad:
( ), ,...kp f m geomΔ =Perdidas de
carga:
*c gm p A c=
Gasto total del motor: g
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PRESURIZACIÓN PASIVA A áli i i lifi dPRESURIZACIÓN PASIVA: Análisis simplificado
Evolución del gas de
21 V⎧ +⎪
( ), , , 0T D T Df p p V V =Evolución del gas de
presurización:
212i c i
i i D i
p p Vm VC A
ρρ
⎧ = +⎪⎨
=⎪⎩
Inyección en la cámara:
( ), ,...i j b tm f m m=Ecuaciones de
continuidad:
( ), ,...kp f m geomΔ =Perdidas de
carga:
*c gm p A c=
Gasto total del motor:
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Cl ifi ió Bl dClasificación y esquemas : Blowdown
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Clasificación y esquemas : Blowdown19
95
HEAOHigh Energy Astrophysics Observatory
Ser
ies,
Was
hing
ton
n, A
IAA
Edu
catio
n S
Landsat 3
cecr
aft P
ropu
lsio
nB
row
n, C
. D.,
Spac
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Cl ifi ió Bl dEmpresa: JPL
Clasificación y esquemas: Blowdown
El sistema de propulsiónde la sonda Voyager(lanzada en 1979 para elestudio de los planetasexteriores) consiste en unW
ashi
ngto
n 19
95
exteriores) consiste en unmotor de propulsantesólido para ayuda en ellanzamiento inicial y unabatería de motores dehidracina para maniobrasE
duca
tion
Ser
ies,
W
hidracina para maniobrasde ajuste orbital, controldel vector empuje en elfuncionamiento del motorcohete sólido y control deactitud. La presión inicialPr
opul
sion
, AIA
A E
pes de 30 bares con tipo“blowndown” y utilizacalentadores para elsistema de catalizadores
C. D
., Sp
acec
raft
PB
row
n, C
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Cl ifi ió Bl dEmpresa: Lockheed Martin
Sistema de propulsión de la
Clasificación y esquemas: Blowdown+recarga
Sistema de propulsión de lamisión MAGELLAN
Se utiliza hidracina superpuraen tanques de titanioseparada del gas depresurización medianteW
ashi
ngto
n 19
95
presurización mediantediafragma. El sistemafunciona en modo dedescarga (“blowdown”)dando capacidad de controlla maniobra de separacion,
tili ió d l t d dEdu
catio
n S
erie
s, W
utilización del motor de depropulsante solido, etc…
La presión inicial es de unas30 bares y la relación dedescarga 4, mientras que elsistema se recarga mediantePr
opul
sion
, AIA
A E
sistema se recarga medianteun deposito auxiliar, tambiénde helio, inicialmente a 225bares de presión. Todo elsistema de alimentación estamanufacturado con aceroC
. D.,
Spac
ecra
ft P
inoxidable soldado de talmanera que no hay juntasmecánicas.B
row
n, C
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Cl ifi ió P f d
Empresa: MBB
Clasificación y esquemas: Pressure fed
Empresa: MBB
El sistema de propulsión de lasonda Galileo (utilizada para laexploración fundamentalmentede Júpiter,) es un sistema conW
ashi
ngto
n 19
95
de Júpiter,) es un sistema conuna muy alta redundanciacompuesto por un motorprincipal para tareas deinserción orbital y una batería de10 motores para tareas deE
duca
tion
Ser
ies,
W
10 motores para tareas decontrol y ajuste orbitales y enviaje.
Prop
ulsi
on, A
IAA
EC
. D.,
Spac
ecra
ft P
Bro
wn,
C
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Cl ifi ió MiEmpresa: Hughes Space ComunicationsCompany
El sistema de Propulsión del INTELSAT
Clasificación y esquemas: Mixto
El sistema de Propulsión del INTELSATVI se encarga de la inserción en orbitageosíncrona, sustituyendo a los motoresindependientes tipo “kick” y los ajustesorbitales durante la vida operacional.
El sistema consiste en dos bateríasredundantes de motores alimentadosW
ashi
ngto
n 19
95
redundantes de motores alimentadospor un único sistema de alimentación.Dos motores de apogeo (LAMs)proporcionan el impulso de inserción ycontrol de orientación en orbitageosíncrona, mientras que dos bateríasde motores se encargan de los ajustesE
duca
tion
Ser
ies,
W
de oto es se e ca ga de os ajustesaxiales (1+1) y de spin (2+2), además, detareas menores de ajuste orbital(precesión, control N-S/E-O, nutación yrecuperación). El vehículo estáestabilizado por spin que ademásproporciona el sistema de control dePr
opul
sion
, AIA
A E
propulsantes en los tanques.
En la operación inicial el sistema seutiliza para controlar la posición enmodo de “blowdown” hasta que elsistema de presurización es abierto en elmomento de la inserción orbitalC
. D.,
Spac
ecra
ft P
momento de la inserción orbitalmediante los motores LAMs que sonposteriormente aislados para prevenirperdidas por escapes. Existe laposibilidad de sellar el sistema depresurización después de la operaciónde los LAMs para evitar que los vapores
Bro
wn,
C
de oxidante y reductor entren encontacto, operando el sistema entoncesen modo “blowdown”
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Cl ifi ió P f dClasificación y esquemas: Pressure fed
Sistema dual de propulsión delMARS GLOBAL SURVEYOR
Brown, C. D., Spacecraft Propulsion, AIAA Education Series, Washington 1995
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Cl ifi ió MiLa misión MESSENGER (Mercury Surface Space
Clasificación y esquemas: Mixto + recarga
(Mercury Surface Space Environment, Geochemistry and Ranging) esta pensada para orbitar el planeta Mercurio durante un año terrestre Lanzado por unterrestre. Lanzado por un Delta II en 2004, el sistema, capaz de dar un incremento de velocidad de 2,3 km/s, esta compuesto por 16 propulsores de mono-propulsores de monopropulsante y un motor bipropulsante (LVA) que operan bajo tres modos diferentes. Un modo de “blowndown” para losblowndown para los propulsores alimentados por el tanque auxiliar, un segundo operacional para ellos alimentados por los tanques principales y un tercer modo p p yde operación del motor LVA. Bajo los dos últimos también se rellena de combustible el tanque auxiliar.
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S l ió d l i d li ióSelección del sistema de alimentación100000
Gas frio10000
ión
(kg)
Gas frioMonopropulsantePresurizadoT b li t d
1000
e pr
opul
si TurboalimentadoEnergia NuclearProp. criogénicos
10
100
sist
ema
d
1Peso
del
s
0.110 100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Impulso total (kN-s)
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COMPARACIÓNCOMPARACIÓN
CARACTERISTICA PRESSURE-FED PUMP-FEDComplejidad Simple ComplejoImpulso específico Bueno Ligeramente mejorImpulso específico Bueno Ligeramente mejorCosto de desarrollo Bajo AltoRiesgo de desarrollo Bajo ModeradoTiempo de desarrollo Corto LargoTiempo de desarrollo Corto LargoFiabilidad Alta BajaNumero de elementos Algunos AltoTolerancias Moderadas AltasTolerancias Moderadas AltasArracques/Paradas Cortos y Fáciles Largos y difícilesRigidez del tanque Alto BajoArea frontal Alta ModeradaArea frontal Alta ModeradaTipo de fallo Benignos CatastróficoPeso Alto Bajo
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MODELO SISTEMA CON REGULADORMODELO: SISTEMA CON REGULADOR
DATOS DEL MOTOR (MISIÓN)
PT: Presión del tanque de
DEPOSITO
T qpropulsante
VT: Volumen del tanque de propulsante
REGULADOR
DE PRESIÓNVg
propulsante
SISTEMA DE ALIMENTACIÓNTANQUE
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
PD0: Presión inicial del gas de presurizaciónINYECTORES
VD: Volumen del gas de presurizaciónVÁLVULA
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MODELO SISTEMA CON REGULADORMODELO: SISTEMA CON REGULADOR
DEPOSITOPD0
VT
REGULADOR
DE PRESIÓNVg PD
TANQUE
INYECTORES
VgT
PVÁLVULA
PD min
TIEMPO
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MODELO SISTEMA CON REGULADOR
D
MODELO: SISTEMA CON REGULADOR
D
T
PRIMER PRINCIPIO
( ) 0 0gD v gD gT v gT gD gT v D t T gTm C T m C T m m C T q P V+ − + = −( ) ( ) 0 00 t tU t U q τ− = +
001 1 1
T gT D DD Dt T gT
P V P VP V q P Vγ γ γ
+ − = −− − −
( )Gas ideal:
( ) ( )0 01 1D D T gT D D t T gTP V P V P V q P Vγ γ+ − = − − −( )1vPV m RT m C Tγ• • • • • •= = −
( ) ( )0 01T gT D D D tP V P P V qγ γ+ − = −
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MODELO Si i id l iMODELO: Sistema asistido por calentamiento
( ) ( )0 01T gT D D D tP V P P V qγ γ+ − = −D 0tW
0;;
D D T
b gT T
t P P Pt t V V∀ = == =
( )( )( )
01
1T T tP V q
W
γ γ
δ
= −
( )( )01 t wallW qγ δ= − −
0 min. 1t T TW P Vγγ
=− T TP VW γδ +1
opt
γγ →∞
0 1T T
t wallW q γδγ
= +−
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MODELO SISTEMA CON REGULADOR
( ) ( )1P V P P V qγ γ+ − = −
MODELO: SISTEMA CON REGULADOR
PD0VT
( ) ( )0 01T gT D D D tP V P P V qγ γ+ − = −
( ) 00
1 t T gTD D
q P VP P
Vγ γ− −
= +
PD
DV
PD
q0t
D
(1+α)PTVgT
TIEMPOTIEMPO (V ) TIEMPOTIEMPO (VgT)
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PROCESO ISOTERMOPROCESO ISOTERMO
DD
T
PROCESO ISOTERMO
( )gD gT gD gTm m m m+ = +
Conservación de la masa:
PD
0D D T gT D DP V P V P V+ =PD
TD,gT=cte.
0gT
D D TD
VP P P
V= −
0q0t=0
TIEMPO (V )TIEMPO (VgT)
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PROCESO ISOTERMOPROCESO ISOTERMO
D
Conservación de la masa:
D
T
PROCESO ISOTERMO
( )gD gT gD gTm m m m+ = +
P V P V P V+ PD0D D T gT D DP V P V P V+ =
TV
PD
Optimista0
gTD D Tisotermo
D
VP P P
V= −
V
TIEMPO (V )
Pesimista0gT
D D TadiabáticoD
VP P P
Vγ= −
TIEMPO (VgT)
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MODELO SISTEMA CON REGULADOR
D
MODELO: SISTEMA CON REGULADOR
PROCESO ADIABÁTICO D
T( )0 0T gT D D DP V P P Vγ + − =
;b gT Tt t V V= =
PD0
VT
(P )( )( )01 0T T T D DP V P P Vγ α+ + − =
( )1Df TP Pα≥ +
PD
(PD0)min
1 TVP P α γ⎛ ⎞
= + +⎜ ⎟VgT
(1+α)PT0 .
1
1
D ToptD
D T
P PV
V V P
α γ
γ
= + +⎜ ⎟⎝ ⎠
=TIEMPO
.0 (1 )
D ToptD
T
V V PP
γα− +
opt lo más pequeño posibleγ →opt p q pγ
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MODELO ANÁLISIS DE PESOSMODELO: ANÁLISIS DE PESOS
343D DV Rπ= 24D DS Rπ=Deposito esférico:
24m D mW R eπ ρ=de pared de espesor e (delgado):
22 R e R Pπ σ π=sometido a presión interna PD0:
032
mm D D
u
W P V ρσ
=
3 2 1⎧ ⎫
02 D u D DR e R Pπ σ π=sometido a presión interna PD0:
0
0
D Dg
D
P VWRT
=0
0
3 2 1D m g D D
u m D
W W W P VRTσ ρ
⎧ ⎫= + = +⎨ ⎬
⎩ ⎭
0min D TD P PW f( )
0min
0
0
1
3 2 1
D TDgm
T T D T
gmD
fP V P P
fRT
α
γσ ρ
=− +
⎧ ⎫= +⎨ ⎬
⎩ ⎭
0 .1 T
D ToptD
VP PV
α γ⎛ ⎞
= + +⎜ ⎟⎝ ⎠
0u m DRTσ ρ⎩ ⎭
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MODELO OPTIMIZACIÓN DE PESO
P PW
MODELO: OPTIMIZACIÓN DE PESO
( )0min
0 1
3 2 1
D TDgm
T T D T
P PW fP V P P α
=− +
⎧ ⎫
0
3 2 1gm
u m D
fRT
γσ ρ⎧ ⎫
= +⎨ ⎬⎩ ⎭
minD
T T
WP V
gmfToma relevancia determinante el peso molecular !!!
gm
fgm H2 He Aire CO2 A
Aluminio 1.1 1.4 2.6 3.1 4.0
P P( )1
Acero 1.8 2.4 6.4 4.0 5.0
M. Comp. 0.9 1.1 2.4 3.0 3.7
0D TP P( )1 α+
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SELECCIÓN DE SUSTANCIASELECCIÓN DE SUSTANCIA
í b l Μ λSímbolo Μ γ Cp ρ μ λ
[kg/kmol] [‐] [kJ/(kg.K)] [kg/m3] (x10‐6 Pa.s)(x10‐3)W/(m‐K)/( )
H2 2.016 1.41 14.3 0.090 8.4 174
He 4.0026 1.66 5.1 0.179 18.6 144
NH 17 031 1 32 2 06 0 77 9 2 22NH3 17.031 1.32 2.06 0.77 9.2 22
N2 28.0134 1.42 1.04 1.25 17.0 24.0
CO2 44.009 1.31 0.82 1.986 13.9 14.02
Ar 39.948 1.66 0.52 1.78 21 16
Xe 131.5 1.66 0.16 5.90 21.0 5.2