Motor de foguete criogênico - Cryogenic rocket engine
Um motor de foguete criogênico é um motor de foguete que usa combustível criogênico e oxidante , ou seja, tanto seu combustível quanto o oxidante são gases liquefeitos e armazenados em temperaturas muito baixas. Esses motores altamente eficientes voaram pela primeira vez no US Atlas-Centaur e foram um dos principais fatores do sucesso da NASA em alcançar a Lua com o foguete Saturn V.
Motores de foguete que queimam propelentes criogênicos permanecem em uso hoje em estágios superiores e boosters de alto desempenho. Os estágios superiores são numerosos. Os impulsionadores incluem o Ariane 5 da ESA , o H-II da JAXA e o Delta IV dos Estados Unidos e o Sistema de Lançamento Espacial . Estados Unidos , Rússia , Japão , Índia , França e China são os únicos países que possuem motores de foguete criogênicos operacionais.
Propelentes criogênicos
Os motores de foguete precisam de altas taxas de fluxo de massa de oxidante e combustível para gerar impulso útil. O oxigênio, o oxidante mais simples e comum, está na fase gasosa em temperatura e pressão padrão , assim como o hidrogênio, o combustível mais simples. Embora seja possível armazenar propelentes como gases pressurizados, isso exigiria tanques grandes e pesados que tornariam a realização de voos espaciais orbitais difícil, senão impossível. Por outro lado, se os propelentes forem suficientemente resfriados, eles passam a existir na fase líquida em maior densidade e menor pressão, simplificando o tanque. Essas temperaturas criogênicas variam dependendo do propelente, com oxigênio líquido existente abaixo de −183 ° C (−297,4 ° F; 90,1 K) e hidrogênio líquido abaixo de −253 ° C (−423,4 ° F; 20,1 K). Como um ou mais dos propelentes estão na fase líquida, todos os motores de foguete criogênicos são, por definição , motores de foguete de propelente líquido ou motores de foguete híbridos .
Várias combinações criogênicas de combustível-oxidante foram testadas, mas a combinação de combustível de hidrogênio líquido ( LH2 ) e oxidante de oxigênio líquido ( LOX ) é uma das mais amplamente utilizadas. Ambos os componentes estão disponíveis de forma fácil e barata e, quando queimados, têm uma das maiores liberações de entalpia na combustão , produzindo um impulso específico de até 450 s a uma velocidade de exaustão efetiva de 4,4 quilômetros por segundo (2,7 mi / s; Mach 13).
Componentes e ciclos de combustão
Os principais componentes de um motor de foguete criogênico são a câmara de combustão , o iniciador pirotécnico , o injetor de combustível, as bombas turbo de combustível e oxidante , as válvulas criogênicas, os reguladores, os tanques de combustível e o bico do motor de foguete . Em termos de alimentação de propelentes para a câmara de combustão, os motores de foguete criogênicos são quase exclusivamente alimentados por bomba . Os motores alimentados por bomba funcionam em um ciclo de gerador a gás , um ciclo de combustão em etapas ou um ciclo de expansão . Motores geradores a gás tendem a ser usados em motores auxiliares devido à sua eficiência mais baixa, motores de combustão escalonada podem preencher ambas as funções ao custo de maior complexidade e motores de expansão são usados exclusivamente em estágios superiores devido ao seu baixo empuxo.
Motores de foguete LOX + LH2 por país
Atualmente, seis países desenvolveram e implantaram motores de foguetes criogênicos com sucesso:
Comparação de motores de foguete criogênicos de primeiro estágio
| modelo | SSME / RS-25 | LE-7A | RD-0120 | Vulcain 2 | RS-68 | YF-77 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| País de origem |
 Estados Unidos
|
 Japão
|
 União Soviética
|
 França
|
Estados Unidos
|
 República Popular da China
|
| Ciclo | Combustão escalonada | Combustão escalonada | Combustão escalonada | Gerador de gás | Gerador de gás | Gerador de gás |
| Comprimento | 4,24 m | 3,7 m | 4,55 m | 3,00 m | 5,20 m | 4,20 m |
| Diâmetro | 1,63 m | 1,82 m | 2,42 m | 1,76 m | 2,43 m | - |
| Peso seco | 3.177 kg | 1.832 kg | 3.449 kg | 1.686 kg | 6.696 kg | 1.054 kg |
| Propulsor | LOX / LH2 | LOX / LH2 | LOX / LH2 | LOX / LH2 | LOX / LH2 | LOX / LH2 |
| Pressão da câmara | 18,9 MPa | 12,0 MPa | 21,8 MPa | 11,7 MPa | 9,7 MPa | 10,2 MPa |
| Isp (vac.) | 453 s | 440 s | 454 s | 433 s | 409 s | 430 s |
| Impulso (vac.) | 2.278MN | 1.098MN | 1.961MN | 1.120MN | 3,37MN | 0,7MN |
| Impulso (SL) | 1.817MN | 0,87MN | 1.517MN | 0,800MN | 2,949MN | 0,518MN |
| Usado em | Sistema de lançamento do ônibus espacial |
H-IIA H-IIB |
Energia | Ariane 5 | Delta IV | 5 de março longo |
Comparação de motores de foguetes criogênicos de estágio superior
| RL-10 | HM7B | Vinci | KVD-1 | CE-7.5 | CE-20 | YF-73 | YF-75 | YF-75D | RD-0146 | ES-702 | ES-1001 | LE-5 | LE-5A | LE-5B | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| País de origem |
Estados Unidos
|
França
|
França
|
União Soviética
|
 Índia
|
Índia
|
República Popular da China
|
República Popular da China
|
República Popular da China
|
 Rússia
|
Japão
|
Japão
|
Japão
|
Japão
|
Japão
|
| Ciclo | Expansor | Gerador de gás | Expansor | Combustão escalonada | Combustão escalonada | Gerador de gás | Gerador de gás | Gerador de gás | Expansor | Expansor | Gerador de gás | Gerador de gás | Gerador de gás |
Ciclo de sangria do expansor （Expansor do bico） |
Ciclo de sangria do expansor （Expansor da câmara） |
| Impulso (vac.) | 66,7 kN (15.000 lbf) | 62,7 kN | 180 kN | 69,6 kN | 73 kN | 200 kN | 44,15 kN | 83,585 kN | 88,36 kN | 98,1 kN (22.054 lbf) | 68,6 kN (7,0 tf) | 98 kN (10,0 tf) | 102,9 kN (10,5 tf) | r121,5 kN (12,4 tf) | 137,2 kN (14 tf) |
| Relação de mistura | 5,5: 1 ou 5,88: 1 | 5.0 | 5,8 | 5.05 | 5.0 | 5,2 | 6,0 | 5,2 | 6,0 | 5,5 | 5 | 5 | |||
| Relação do bocal | 40 | 83,1 | 100 | 40 | 80 | 80 | 40 | 40 | 140 | 130 | 110 | ||||
| I sp (vac.) | 433 | 444,2 | 465 | 462 | 454 | 443 | 420 | 438 | 442 | 463 | 425 | 425 | 450 | 452 | 447 |
| Pressão da câmara: MPa | 2,35 | 3,5 | 6,1 | 5,6 | 5,8 | 6,0 | 2,59 | 3,68 | 4,1 | 5,9 | 2,45 | 3,51 | 3,65 | 3,98 | 3,58 |
| LH 2 TP rpm | 90.000 | 42.000 | 65.000 | 125.000 | 41.000 | 46.310 | 50.000 | 51.000 | 52.000 | ||||||
| LOX TP rpm | 18.000 | 16.680 | 21.080 | 16.000 | 17.000 | 18.000 | |||||||||
| Comprimento m | 1,73 | 1.8 | 2,2 ~ 4,2 | 2,14 | 2,14 | 1,44 | 2,8 | 2,2 | 2,68 | 2,69 | 2,79 | ||||
| Peso seco kg | 135 | 165 | 550 | 282 | 435 | 558 | 236 | 245 | 265 | 242 | 255,8 | 259,4 | 255 | 248 | 285 |