Monopropelente

Los monopropulsores son propulsores que consisten en sustancias químicas que liberan energía a través de la descomposición química exotérmica. La energía de enlace molecular del monopropulsor se libera generalmente mediante el uso de un catalizador. Esto se puede contrastar con los bipropelentes que liberan energía a través de la reacción química entre un oxidante y un combustible. Si bien son estables en condiciones de almacenamiento definidas, los monopropulsores se descomponen muy rápidamente en otras condiciones para producir un gran volumen de sus propios gases energéticos (calientes) para la realización de trabajos mecánicos. Aunque los deflagrantes sólidos como la nitrocelulosa, el propulsor más utilizado en las armas de fuego, podrían considerarse monopropulsores, el término suele reservarse para los líquidos en la literatura de ingeniería.

Usos

El uso más común de los monopropulsores es en los motores de cohetes monopropulsantes de bajo impulso, como los propulsores de control de reacción, siendo el propulsor habitual la hidracina, que generalmente se descompone por exposición a un lecho de catalizador de iridio (la hidracina se precalienta para mantener la líquido reactivo). Esta descomposición produce el deseado chorro de gas caliente y, por lo tanto, el empuje. El peróxido de hidrógeno se ha utilizado como fuente de energía para bombas de tanques de combustible en cohetes como el V-2 alemán de la Segunda Guerra Mundial y el Redstone estadounidense. El peróxido de hidrógeno se pasa a través de una malla de catalizador de platino, o entra en contacto con perlas de cerámica impregnadas de dióxido de manganeso, o se coinyecta solución de permanganato Z-Stoff, lo que hace que el peróxido de hidrógeno se descomponga en vapor caliente y oxígeno.

Los monopropulsores también se utilizan en algunos sistemas de propulsión independientes del aire (AIP) para "combustible" motores alternativos o de turbina en ambientes donde el oxígeno libre no está disponible. Las armas destinadas principalmente al combate entre submarinos de propulsión nuclear generalmente entran en esta categoría. El propulsor más utilizado en este caso es el dinitrato de propilenglicol estabilizado (PGDN), a menudo denominado "combustible Otto". Un posible uso futuro de los monopropulsores que no está directamente relacionado con la propulsión es en centrales eléctricas compactas de alta intensidad para entornos acuáticos o exoatmosféricos.

Resumen de la investigación

Se trabajó mucho en los EE. UU. en las décadas de 1950 y 1960 para intentar encontrar monopropulsores mejores y más energéticos. En su mayor parte, los investigadores llegaron a la conclusión de que cualquier sustancia que contuviera suficiente energía para competir con los bipropulsores sería demasiado inestable para manejarla con seguridad en condiciones prácticas. Con nuevos materiales, sistemas de control y requisitos para propulsores de alto rendimiento, los ingenieros actualmente están reexaminando esta suposición.

Muchos ésteres de alcohol parcialmente nitrados son adecuados para su uso como monopropulsores. "Dinitrato de trimetilenglicol" o el dinitrato de 1,3-propanodiol es isomérico con PGDN y se produce como un subproducto fraccionario en todas las condiciones de laboratorio excepto en las más exigentes; la gravedad específica marginalmente más baja (y, por lo tanto, la densidad de energía) de este compuesto es un argumento en contra de su uso, pero las diferencias menores en la química pueden resultar útiles en el futuro.

El "dinitrodiglicol" relacionado, más propiamente denominado dinitrato de dietilenglicol en la notación moderna, se usó ampliamente en la Alemania de la Segunda Guerra Mundial, tanto solo como monopropulsor líquido como coloidal con nitrocelulosa como propulsor sólido. Las características deseables de este compuesto; es bastante estable, fácil de fabricar y tiene una densidad de energía muy alta; se ven empañados por un alto punto de congelación (-11,5 grados C) y una expansión térmica pronunciada, siendo ambos problemáticos en las naves espaciales. "Dinitroclorohidrina" y "tetranitrodiglicerina" también son candidatos probables, aunque no se conoce ningún uso actual. Los polinitratos de hidrocarburos aromáticos y de cadena larga son invariablemente sólidos a temperatura ambiente, pero muchos son solubles en alcoholes simples o éteres en alta proporción, y pueden ser útiles en este estado.

La hidracina, el óxido de etileno, el peróxido de hidrógeno (especialmente en su forma alemana de la Segunda Guerra Mundial como T-Stoff) y el nitrometano son monopropelentes comunes para cohetes. Como se señaló, el impulso específico de los monopropulsores es más bajo que el de los bipropulsores y se puede encontrar con la herramienta Código de impulso específico del equilibrio químico de la Fuerza Aérea.

Un monopropelente más nuevo en desarrollo es el óxido nitroso, tanto puro como en forma de mezclas de combustible de óxido nitroso. El óxido nitroso ofrece las ventajas de autopresurizarse y de ser relativamente no tóxico, con un impulso específico intermedio entre el peróxido de hidrógeno y la hidracina. El óxido nitroso genera oxígeno al descomponerse y es posible mezclarlo con combustibles para formar una mezcla monopropelente con un impulso específico de hasta 325 s, comparable a los bipropulsores hipergólicos.

La comparación directa de las propiedades físicas, el rendimiento, el costo, la capacidad de almacenamiento, la toxicidad, los requisitos de almacenamiento y las medidas de liberación accidental para el peróxido de hidrógeno, el nitrato de hidroxilamonio (HAN), la hidracina y varios monopropulsores de gas frío muestra que la hidracina es la de mayor rendimiento en términos de impulso. Sin embargo, la hidracina también es la más cara y tóxica. Además, el HAN y el peróxido de hidrógeno tienen el impulso de mayor densidad (impulso total por unidad de volumen dada).