Resfriamento regenerativo (foguetes) - Regenerative cooling (rocketry)
O resfriamento regenerativo , no contexto do projeto de motor de foguete , é uma configuração na qual parte ou todo o propelente é passado através de tubos, canais ou em uma camisa ao redor da câmara de combustão ou bico para resfriar o motor. Isso é eficaz porque os propelentes costumam ser criogênicos. O propelente aquecido é então alimentado em um gerador de gás especial ou injetado diretamente na câmara de combustão principal.
História
Em 1857, Carl Wilhelm Siemens introduziu o conceito de resfriamento regenerativo. Em 10 de maio de 1898, James Dewar usou o resfriamento regenerativo para se tornar o primeiro a liquefazer o hidrogênio estaticamente. O conceito de resfriamento regenerativo também foi mencionado em 1903 em um artigo de Konstantin Tsiolkovsky . Robert Goddard construiu o primeiro motor refrigerado regenerativamente em 1923, mas rejeitou o esquema como muito complexo. Um motor refrigerado regenerativamente foi construído pelo pesquisador italiano Gaetano Arturo Crocco em 1930. Os primeiros motores soviéticos a empregar a técnica foram o OR-2 de Fridrikh Tsander testado em março de 1933 e o ORM-50, testado em bancada em novembro de 1933 por Valentin Glushko . O primeiro motor alemão deste tipo também foi testado em março de 1933 por Klaus Riedel no VfR . O cientista austríaco Eugen Sänger ficou particularmente famoso por seus experimentos com resfriamento de motores a partir de 1933; entretanto, a maioria de seus motores experimentais eram refrigerados a água ou por um circuito extra de propelente.
O motor de foguete V-2 , o mais potente de seu tempo com 25 toneladas (245 kN ) de empuxo, foi resfriado regenerativamente, em um projeto de Walter Thiel , por combustível bombeado ao redor do exterior da câmara de combustão entre a própria câmara de combustão e uma concha externa que se conformava com a câmara e estava separada por alguns milímetros. Este projeto foi considerado insuficiente para resfriar a câmara de combustão devido ao uso de aço para a câmara de combustão, e um sistema adicional de linhas de combustível foi adicionado do lado de fora com conexões através de ambas as carcaças da câmara de combustão para injetar combustível diretamente na câmara em um ângulo ao longo da superfície interna para resfriar ainda mais a câmara em um sistema chamado resfriamento de filme. Este projeto ineficiente exigia a queima de álcool diluído em baixa pressão da câmara para evitar o derretimento do motor. O motor americano Redstone usava o mesmo projeto.
Uma inovação chave no resfriamento regenerativo foi o motor soviético U-1250 projetado por Aleksei Mihailovich Isaev em 1945. Sua câmara de combustão era forrada com uma fina folha de cobre apoiada na parede de aço corrugado da câmara. O combustível fluiu pelas corrugações e absorveu o calor de forma muito eficiente. Isso permitiu combustíveis mais energéticos e pressões de câmara mais altas, e é o plano básico usado em todos os motores russos desde então. Os motores americanos modernos resolvem esse problema revestindo a câmara de combustão com tubos de cobre ou liga de níquel brasados (embora motores recentes como o RS-68 tenham começado a usar a técnica russa, que é mais barata de construir). O estilo americano de revestir o motor com tubos de cobre é chamado de "construção espaguete", e o conceito é creditado a Edward A. Neu da Reaction Motors Inc. em 1947.
Fluxo de calor e temperatura
O fluxo de calor através da parede da câmara é muito alto; 1-20 MW / m 2 não é incomum.
A quantidade de calor que pode fluir para o refrigerante é controlada por muitos fatores, incluindo a diferença de temperatura entre a câmara e o refrigerante, o coeficiente de transferência de calor , a condutividade térmica da parede da câmara, a velocidade nos canais de refrigerante e a velocidade do fluxo de gás na câmara ou no bico.
Duas camadas limites se formam: uma no gás quente na câmara e a outra no refrigerante dentro dos canais.
Muito tipicamente, a maior parte da queda de temperatura ocorre na camada limite do gás, uma vez que os gases são condutores relativamente fracos. Esta camada limite pode ser destruída, entretanto, por instabilidades de combustão , e a ruptura da parede pode ocorrer logo depois.
A camada limite dentro dos canais de refrigerante também pode ser interrompida se o refrigerante estiver em pressão subcrítica e o filme ferver; o gás então forma uma camada isolante e a temperatura da parede sobe muito rapidamente e logo cai. No entanto, se o refrigerante entrar em ebulição nucleada, mas não formar um filme, isso ajuda a romper a camada limite do refrigerante e as bolhas de gás formadas entram em colapso rapidamente; isso pode triplicar o fluxo máximo de calor. No entanto, muitos motores modernos com bombas turbo usam refrigerantes supercríticos, e essas técnicas raramente podem ser usadas.
O resfriamento regenerativo raramente é usado isoladamente; resfriamento de filme, resfriamento de cortina, resfriamento de transpiração e resfriamento de radiação também são freqüentemente empregados.
Considerações mecânicas
Com o resfriamento regenerativo, a pressão nos canais de resfriamento é maior do que a pressão da câmara. A camisa interna está sob compressão, enquanto a parede externa do motor está sob tensões significativas do arco .
O metal do forro interno é muito enfraquecido pela alta temperatura e também sofre uma expansão térmica significativa na superfície interna, enquanto a parede do lado frio do forro restringe a expansão. Isso configura tensões térmicas significativas que podem causar rachaduras ou fissuras na superfície interna após disparos múltiplos, particularmente na garganta.
Além disso, o revestimento interno fino requer suporte mecânico para suportar a carga de compressão devido à pressão do propelente; este suporte é normalmente fornecido pelas paredes laterais dos canais de resfriamento e pela placa de apoio.
O revestimento interno é geralmente construído com materiais de alta condutividade térmica e temperatura relativamente alta; tradicionalmente têm sido utilizadas ligas à base de cobre ou níquel.
Várias técnicas de fabricação diferentes podem ser usadas para criar a geometria complexa necessária para o resfriamento regenerativo. Isso inclui uma folha de metal corrugada soldada entre o revestimento interno e externo; centenas de tubos soldados no formato correto ou um revestimento interno com canais de resfriamento fresados e um revestimento externo ao redor. A geometria também pode ser criada por meio de impressão 3D direta de metal , como visto em alguns projetos mais recentes, como o motor de foguete SpaceX SuperDraco .