Propellente liquido

La densità apparente del propellente essendo un dato come determinante come impulso specifico , si definisce l'impulso-densità (o densità di impulso) come il prodotto di queste due grandezze:

iod=dprop⋅ioSp{\ displaystyle I _ {\ mathrm {d}} = d _ {\ mathrm {prop}} \ cdot I _ {\ mathrm {sp}}}

con:

• I d la densità dell'impulso espressa in s kg m -3
• d prop la densità apparente del propellente misurata in kg/m 3
• I sP l'impulso specifica misurata in secondi

A volte è la coppia ( I sp ,  I d ) piuttosto che la coppia ( v e ,  d prop ) che è indicata nelle tabelle dei valori numerici sui propellenti liquidi.

Qualità di un propellente liquido

Ipergolico/non ipergolico

Sono detti ipergolici una coppia di propellenti che, messi a contatto tra loro, autocatalizzano il proprio redox  : la combustione viene avviata spontaneamente, senza bisogno di un sistema di accensione, che semplifica la produzione del motore a razzo . L'affidabilità della propulsione è migliorata, perché diventa possibile controllare la spinta utilizzando due valvole (una per propellente ) senza dover ricorrere a complessi e fragili sistemi di controllo dell'accensione. Inoltre, la natura stessa dei propellenti impedisce loro di accumularsi sotto forma di miscela esplosiva causando dannose sovrapressioni al momento dell'accensione ( hard start ). D'altra parte, tali ipergoli sono generalmente pericolosi da maneggiare a causa della loro elevata reattività chimica.

Si qualifica di propellente criogenico un propellente il quale almeno uno dei propellenti deve essere mantenuto ad una temperatura inferiore a -150  °C , temperatura alla quale alcuni gas dell'aria si condensano a pressione ambiente. Tali propellenti sono generalmente molto efficienti ma possono essere utilizzati solo per il decollo dalla Terra , perché non possono essere mantenuti a lungo alla temperatura richiesta una volta caricati nel lanciatore . Questo è particolarmente il caso dell'idrogeno liquido , che inizia ad evaporare non appena si trova in un serbatoio.

Al contrario, i propellenti immagazzinabili possono essere mantenuti liquidi per lunghi periodi di tempo senza richiedere strutture speciali per conservarli.

Sviluppo e utilizzo di propellenti liquidi

Negli anni '40

Le basi dell'astronautica furono poste dagli ingegneri tedeschi durante la seconda guerra mondiale attraverso una serie di innovazioni tecniche supportate da tutta una serie di sostanze chimiche convenzionalmente indicate per mezzo di una lettera, in particolare (composizioni approssimative in frazione di massa):

• A-Stoff  : ossigeno O 2liquido ( propellente criogenico utilizzato con il B-Stoff nei razzi V-2 )
• B-Stoff  : idrazina idrato N 2 H 4• H 2 Oo (75% etanolo H 3 C-CH 2 OH+ 25% acqua H 2 Ousato con l' A-Stoff nei razzi V-2 )
• C-Stoff  : 57% metanolo CH 3 OH+ 43% idrazina idrato N 2 H 4• H 2 O(usato con il T-Stoff nel Messerschmitt Me 163B )
• M-Stoff  : metanolo CH 3 OH
• N-Stoff  : trifluoruro di cloro ClF 3
• R-Stoff  : 57% xilidina H 2 N-C 6 H 3 (CH 3 ) 2+ 43% trietilammina N (CH 2 CH 3 ) 3
• S-Stoff  : acido nitrico 90-97%HNO 3+ 3-10% ( acido solforico H 2 SO 4o percloruro di ferro FeCl 3 )
• SV-Stoff  : (85-90% di acido nitrico HNO 3+ 10-15% di acido solforico H 2 SO 4) o (95% di acido nitrico HNO 3+ 5% di perossido di azoto N 2 O 4 )
• T-Stoff  : perossido di idrogeno 72-76%H 2 O 2+ 18-19% di acqua H 2 O+ 5-10% ( 8-idrossichinolina + sodio fosfato Na 3 PO 4+ acido fosforico H 3 PO 4), ipergolico con C-Stoff

Dopo la seconda guerra mondiale

Sviluppata in particolare a costo della vita di molti prigionieri di guerra, la tecnologia di propulsione chimica tedesca è stata adottata negli anni '50 da ingegneri americani e sovietici, che hanno sperimentato altre sostanze, a volte esotiche, come la tetrafluoroidrazina N 2 F 4con pentaborano B 5 H 9.

L' etanolo H 3 C-CH 2 OHè stato ampiamente utilizzato, puro o miscelato con altri combustibili, dagli ingegneri tedeschi e poi alleati negli anni '40 a causa del suo alto calore latente di vaporizzazione, che ne ha permesso l'uso per raffreddare i motori. Le sue prestazioni sono comunque inferiori a quelle consentite dagli idrocarburi , che sono più densi ed energici. Il principale ostacolo all'utilizzo degli idrocarburi come combustibile per razzi era il loro scarso comportamento termico: passando nei circuiti di raffreddamento del motore, le frazioni più pesanti tendevano a polimerizzare e a bloccare le bolle risultanti dalla vaporizzazione delle frazioni, le più leggere, che finivano per ostruire i circuiti.

Questi problemi sono stati risolti a metà degli anni '50 , riducendo fortemente il contenuto di zolfo , che favorisce la polimerizzazione , così come quello degli idrocarburi insaturi (i più inclini a polimerizzare), favorendo al contempo gli alcani ramificati e ciclici, che sono più resistenti al calore rispetto alcani lineari. Le specie ricercate sono del tipo C 12 ladderane. Ciò ha portato allo sviluppo di RP-1 , Refined Petroleum-1 o Rocket Propellant-1 a seconda della versione. Con lo sviluppo dell'industria petrolifera e delle tecniche di raffinazione, da allora l' RP-1 e l'idrogeno liquido si sono affermati come combustibili energetici, mentre l' idrato di idrazina N 2 H 4• H 2 O( B-Stoff ) è stato sostituito da forme anidre metilate, monometilidrazina H 2 N-NHCH 3(MMH) e dimetilidrazina asimmetrica H 2 N-N (CH 3 ) 2 (UDMH) per aumentare le prestazioni nelle manovre di precisione.

Sul lato ossidante, l'ossigeno liquido è rimasto l'ossidante delle applicazioni energetiche con cherosene ( RP-1 ) e idrogeno liquido , mentre la ricerca su SV-Stoff mirava a stabilizzare l'acido nitrico HNO 3per limitare gli effetti nocivi dei vapori di biossido di azoto NO 2abbondantemente rilasciato dall'acido nitrico (questi vapori sono anche la ragione per cui HNO 3concentrato è chiamato acido nitrico fumante , WFNA in inglese, per acido nitrico fumante bianco ). Questo è stato fatto diluendo HNO 3in perossido di azoto N 2 O 4, che dava all'insieme una colorazione rossastra (da cui il nome red fuming nitric acid , RFNA in inglese), mentre il problema della corrosione dei serbatoi è stato risolto aggiungendo acido fluoridrico HF per passivare la superficie all'interno dei serbatoi depositando uno strato di fluoruro metallico in esso: questo è chiamato acido nitrico fumante rosso inibito , o IRFNA in inglese.

Oggi

È consuetudine distinguere formalmente tre tipi di propellenti liquidi in base al numero di propellenti che li costituiscono:

1. i monopropellenti (o monoergoli ), che sono composti da un solo propellente;
2. i diergol (o bipropellenti ), che sono composti dai due componenti;
3. i triergol , che sono composti da tre propellenti.

Questa nomenclatura è infatti abbastanza artificiale perché la differenza fondamentale sta tra monopropellenti e altri propellenti liquidi:

• i monopellenti operano sulla base di una decomposizione esotermica catalizzata;
• gli altri propellenti si basano sulla combustione di uno o più combustibili in uno o più ossidanti.

L' idrazina N 2 H 4è il monopropellente più comunemente utilizzato, soprattutto nelle fasi finali di discesa delle sonde spaziali prima di atterrare sul loro obiettivo: è stato il caso dei lander del programma Viking così come della missione Phoenix , arrivata su Marte il25 maggio 2008. Il Mars Reconnaissance Orbiter è stato messo in orbita con un serbatoio di oltre una tonnellata di idrazina per stabilizzare la sua traiettoria attorno a Marte . L'idrazina si decompone in modo molto esotermico su un catalizzatore metallico di iridio su allumina Al 2 O 3oppure nanofibre di carbonio / grafite o nitruro di molibdeno su allumina , che catalizzano le reazioni:

1. 3 N 2 H 4→ 4 NH 3+ N 2
2. N 2 H 4→ N 2+ 2 H 2
3. 4 NH 3+ N 2 H 4→ 3 N 2+ 8 ore 2

Queste reazioni rilasciano energia sufficiente per portare la camera di combustione a 800  °C in un millisecondo con un'efficienza molto buona, risultando in un impulso di vuoto specifico di circa 220  s .

Lo sviluppo di tecnologie di propellente immagazzinabile è stato effettuato per uno scopo in gran parte militare, essenzialmente al fine di fornire agli arsenali una batteria di missili pronti per essere lanciati il ​​più rapidamente possibile nel più lungo periodo di tempo possibile da 'impianti il ​​più piccoli possibile. La maggior parte dei lanciatori russi e americani con propellenti immagazzinabili sono quindi derivati ​​da missili balistici intercontinentali .