Propelente - Propellant

Um propelente (ou propelente ) é uma massa que é expelida de um veículo, como um foguete, de forma a criar um empuxo de acordo com a terceira lei do movimento de Newton e "impulsionar" o veículo para frente. O motor que expele o propelente é chamado de motor de reação . Embora o termo "propelente" seja freqüentemente usado no projeto de foguetes químicos para descrever uma combinação de combustível / propelente, os propelentes não devem ser confundidos com o combustível que é usado por um motor para produzir a energia que expele o propelente. Embora os subprodutos de substâncias usadas como combustível também sejam frequentemente usados ​​como massa de reação para criar o empuxo, como no caso de um motor de foguete químico, propelente e combustível são dois conceitos distintos.

Em espaçonaves movidas a eletricidade , a eletricidade é usada para acelerar o propelente. Uma força eletrostática pode ser usada para expelir íons positivos, ou a força de Lorentz pode ser usada para expelir íons negativos e elétrons como o propelente. Os motores eletrotérmicos usam a força eletromagnética para aquecer gases de baixo peso molecular (por exemplo, hidrogênio, hélio, amônia) em um plasma e expelir o plasma como propelente. No caso de um motor de foguete resistojet , o propelente comprimido é simplesmente aquecido usando aquecimento resistivo à medida que é expelido para criar mais empuxo.

Em foguetes químicos e aeronaves, os combustíveis são usados ​​para produzir um gás energético que pode ser direcionado através de um bico , produzindo assim o empuxo. Nos foguetes, a queima do combustível do foguete produz um escapamento, e o material exaurido geralmente é expelido como um propelente sob pressão através de um bico injetor . O material de exaustão pode ser um gás , líquido , plasma ou um sólido . Em aeronaves motorizadas sem hélices, como jatos , o propelente é geralmente o produto da queima do combustível com o oxigênio atmosférico, de modo que o produto propelente resultante tem mais massa do que o combustível transportado no veículo.

O propelente ou combustível também pode ser simplesmente um fluido comprimido, com a energia potencial que é armazenada no fluido comprimido usada para expelir o fluido como o propelente. A energia armazenada no fluido foi adicionada ao sistema quando o fluido foi comprimido, como o ar comprimido . A energia aplicada à bomba ou sistema térmico que é usado para comprimir o ar é armazenada até que seja liberada, permitindo que o propelente escape. O fluido comprimido também pode ser usado apenas como armazenamento de energia junto com alguma outra substância como propelente, como um foguete de água , onde a energia armazenada no ar comprimido é o combustível e a água é o propelente.

Os foguetes de fótons propostos usariam o momento relativístico dos fótons para criar o empuxo. Mesmo que os fótons não tenham massa, eles ainda podem atuar como um propelente porque se movem na velocidade relativística, ou seja, a velocidade da luz. Nesse caso, a terceira Lei do Movimento de Newton é inadequada para modelar a física envolvida e a física relativística deve ser usada.

Em foguetes químicos, as reações químicas são usadas para produzir energia que cria o movimento de um fluido que é usado para expelir os produtos dessa reação química (e às vezes outras substâncias) como propelentes. Por exemplo, em um motor simples de hidrogênio / oxigênio, o hidrogênio é queimado (oxidado) para criar H2O e a energia da reação química é usada para expelir a água (vapor) para fornecer impulso. Freqüentemente, em motores de foguetes químicos, uma substância de massa molecular mais alta é incluída no combustível para fornecer mais massa de reação.

O propelente de foguete pode ser expelido através de um bocal de expansão como um gás frio, isto é, sem mistura energética e combustão, para fornecer pequenas mudanças na velocidade da espaçonave pelo uso de propulsores de gás frio , geralmente como propulsores de manobra.

Para atingir uma densidade útil para armazenamento, a maioria dos propelentes são armazenados como sólidos ou líquidos.

Propelentes de foguete

Os propelentes podem ser energizados por reações químicas para expelir sólidos, líquidos ou gases. A energia elétrica pode ser usada para expelir gases, plasmas, íons, sólidos ou líquidos. Os fótons podem ser usados ​​para fornecer impulso por meio do momento relativístico.

Alimentado quimicamente

Propelente sólido

• Propelentes compostos feitos de um oxidante sólido , como perclorato de amônio ou nitrato de amônio , uma borracha sintética como HTPB , PBAN ou poliuretano (ou polímeros energéticos, como nitrato de poliglicidila ou nitrato de polivinila para energia extra), combustíveis opcionais altamente explosivos (novamente, para energia extra), como RDX ou nitroglicerina , e geralmente um combustível de metal em pó , como alumínio .
• Alguns propelentes amadores usam nitrato de potássio , combinado com açúcar , epóxi ou outros combustíveis e compostos ligantes.
• O perclorato de potássio tem sido usado como oxidante, combinado com asfalto , epóxi e outros aglutinantes.

Os propelentes que explodem em operação são de pouco uso prático atualmente, embora tenha havido experimentos com motores de detonação de pulso . Além disso, os compostos à base de bishomocubano recentemente sintetizados estão sendo considerados no estágio de pesquisa como propelentes sólidos e líquidos do futuro.

Grão

Combustíveis sólidos / propelentes são usados ​​em formas chamadas grãos . Um grão é qualquer partícula individual de combustível / propelente, independentemente do tamanho ou forma. A forma e o tamanho de um grão determinam o tempo de queima, a quantidade de gás e a taxa de energia produzida a partir da queima do combustível e, como consequência, o empuxo x perfil de tempo.

Existem três tipos de queimaduras que podem ser alcançadas com grãos diferentes.

Queima progressiva

Normalmente, um grão com várias perfurações ou um corte em estrela no centro proporcionando uma grande área de superfície.

Queimadura degressiva

Normalmente, um grão sólido em forma de cilindro ou esfera.

Queimadura neutra

Normalmente uma única perfuração; à medida que a superfície externa diminui, a superfície interna aumenta na mesma proporção.

Composição

Existem quatro tipos diferentes de composições de combustível sólido / propelente:

Combustível / propulsor de base única

Um único combustível / propelente tem nitrocelulose como seu principal ingrediente explosivo. Estabilizantes e outros aditivos são usados ​​para controlar a estabilidade química e melhorar suas propriedades.

Combustível / propulsor de base dupla

Combustíveis / propelentes de base dupla consistem em nitrocelulose com nitroglicerina ou outros explosivos de nitrato orgânico líquido adicionados. Estabilizadores e outros aditivos também são usados. A nitroglicerina reduz a fumaça e aumenta a produção de energia. Combustíveis / propelentes de base dupla são usados ​​em armas pequenas, canhões, morteiros e foguetes.

Combustível / propulsor de base tripla

Combustíveis / propelentes de base tripla consistem em nitrocelulose, nitroguanidina, nitroglicerina ou outros explosivos de nitrato orgânico líquido. Combustíveis / propelentes de base tripla são usados ​​em canhões .

Composto

Os compósitos não utilizam nitrocelulose, nitroglicerina, nitroguanidina ou qualquer outro nitrato orgânico como constituinte primário. Os compostos geralmente consistem em um combustível como o alumínio metálico, um aglutinante combustível como a borracha sintética ou HTPB e um oxidante como o perclorato de amônio. Combustíveis / propelentes compostos são usados ​​em grandes motores de foguetes. Em algumas aplicações, como o míssil US SLBM Trident II, a nitroglicerina é adicionada ao composto de alumínio e perclorato de amônio como um plastificante energético.

Propelente líquido

Em foguetes, três combinações principais de bipropelente líquido são usadas: oxigênio criogênico e hidrogênio, oxigênio criogênico e um hidrocarboneto e propelentes armazenáveis.

Sistema de combinação de oxigênio criogênico - hidrogênio

Usado em estágios superiores e às vezes em estágios de reforço de sistemas de lançamento espacial. Esta é uma combinação não tóxica. Isso dá um alto impulso específico e é ideal para missões de alta velocidade

Sistema propelente criogênico de oxigênio-hidrocarboneto

Usado para muitos estágios de reforço de veículos de lançamento espacial , bem como um número menor de segundos estágios . Esta combinação de combustível / oxidante tem alta densidade e, portanto, permite um design de reforço mais compacto.

Combinações de propelente armazenáveis

Usado em quase todos os motores de foguetes bipropelentes de baixo empuxo, auxiliares ou de controle de reação , bem como em alguns motores de foguetes de grande porte para primeiro e segundo estágios de mísseis balísticos. Eles têm inicialização instantânea e são adequados para armazenamento de longo prazo.

As combinações de propulsor usadas para foguetes de propelente líquido incluem:

• Oxigênio líquido e hidrogênio líquido
• Oxigênio líquido e querosene ou RP-1
• Oxigênio líquido e etanol
• Oxigênio líquido e metano
• Peróxido de hidrogênio e álcool mencionado acima ou RP-1
• Ácido nítrico fumante vermelho (RFNA) e querosene ou RP-1
• RFNA e dimetilhidrazina assimétrica (UDMH)
• Tetróxido de dinitrogênio e UDMH, MMH e / ou hidrazina

Monopropelente comum usado para motores de foguetes líquidos inclui:

• Peróxido de hidrogênio
• Hidrazina
• Ácido nítrico fumegante vermelho (RFNA)

Alimentado eletricamente

Os motores reativos movidos a eletricidade usam uma variedade de propelentes geralmente ionizados, incluindo íons atômicos, plasma, elétrons ou pequenas gotículas ou partículas sólidas como propelente.

Eletrostática

Se a aceleração for causada principalmente pela força de Coulomb (isto é, aplicação de um campo elétrico estático na direção da aceleração), o dispositivo é considerado eletrostático. Os tipos de acionamentos eletrostáticos e seus propelentes:

• Propulsor de íons em grade - usando íons positivos como propelente, acelerado por uma grade eletricamente carregada
  • NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) - íons positivos acelerados usando eletrodos de alta voltagem
  • HiPEP - usando íons positivos como propelente, criado usando microondas
  • Propulsor de íons de radiofrequência - generalização de HiPEP
• Propulsor de efeito Hall , incluindo seus subtipos Propulsor de Plasma Estacionário (SPT) e Propulsor com Camada de Ânodo (TAL) - use o efeito Hall para orientar elétrons para criar íons positivos para o propelente
• Propulsor de íons coloidais - aceleração eletrostática de gotículas de sal líquido como propelente
• Propulsão elétrica de emissão de campo - usando eletrodos para acelerar metal líquido ionizado como propelente
• Propulsor de extração de campo de nanopartículas - usando nanotubos de carbono cilíndricos carregados como propelente

Eletrotérmico

São motores que usam campos eletromagnéticos para gerar um plasma que é usado como propelente. Eles usam um bico para direcionar o propelente energizado. O próprio bico pode ser composto simplesmente por um campo magnético. Gases de baixo peso molecular (por exemplo, hidrogênio, hélio, amônia) são os propelentes preferidos para este tipo de sistema.

• Resistojet - usando um propelente comprimido geralmente inerte que é energizado por aquecimento resistivo simples
• Arcjet - usa (geralmente) hidrazina ou amônia como propelente que é energizado com um arco elétrico
• Microondas - um tipo de propulsor de íons de radiofrequência
• Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável (VASIMR) - usando plasma gerado por micro-ondas como propelente e campo magnético para direcionar sua expulsão

Eletromagnética

Os propulsores eletromagnéticos usam íons como propulsor, que são acelerados pela força de Lorentz ou por campos magnéticos, sendo que qualquer um deles é gerado por eletricidade:

• Propulsor de plasma sem eletrodo - um sistema complexo que usa plasma frio como propelente que é acelerado pela força ponderomotriz
• Propulsor magnetoplasmadinâmico - os propelentes incluem xenônio, néon, argônio, hidrogênio, hidrazina ou lítio; expulso usando a força de Lorentz
• Propulsor indutivo pulsado - como este motor reativo usa um campo magnético radial, ele atua em partículas positivas e negativas e, portanto, pode usar uma ampla gama de gases como propelente, incluindo água, hidrazina, amônia, argônio, xenônio e muitos outros
• Propulsor de plasma pulsado - usa um plasma de Teflon como propelente, que é criado por um arco elétrico e expelido usando a força de Lorantz
• Helicon Double Layer Thruster - um propelente de plasma é gerado e excitado a partir de um gás usando um helicóptero induzido por ondas de rádio de banda de alta frequência que formam um bocal magnético em um cilindro

Nuclear

As reações nucleares podem ser usadas para produzir a energia para a expulsão dos propelentes. Muitos tipos de reatores nucleares foram usados ​​/ propostos para produzir eletricidade para propulsão elétrica, conforme descrito acima. A propulsão de pulso nuclear usa uma série de explosões nucleares para criar grandes quantidades de energia para expelir os produtos da reação nuclear como o propelente. Foguetes nucleares térmicos usam o calor de uma reação nuclear para aquecer um propelente. Normalmente, o propelente é hidrogênio porque a força é uma função da energia independente da massa do propelente, então o propelente mais leve (hidrogênio) produz o maior impulso específico .

Fotônico

Um motor reativo fotônico usa fótons como propulsor e sua energia relativística discreta para produzir empuxo.

Veja também

• Cartucho (armas de fogo)
• Material explosivo
• Combustível
• Depósito de propelente
• Propulsão de nave espacial
• Impulso específico

Referências

Bibliografia

• Clark, John D. (1972). Ignição! Uma história informal de propelentes de foguetes líquidos . Rutgers University Press. ISBN 0-8135-0725-1.

links externos

• Propelentes de foguete
• Elementos de propulsão de foguete, Sutton, George.P, Biblarz, Oscar 7th Ed
• Entendendo e prevendo a erosão do cano da arma - Divisão de Sistemas de Armas, Organização de Ciência e Tecnologia de Defesa, por Ian A. Johnston