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Innovative propellants in hybrid propulsion technology and its applications in space transportation

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Sistema de propulsión de cohetes híbrido para un rendimiento rentable y mejorado

Los propelentes de cohetes convencionales son líquidos o sólidos. Un equipo de científicos financiados por la Unión Europea llevó a cabo importantes estudios experimentales y teóricos encaminados a mejorar el rendimiento y disminuir los costes mediante el uso de un sistema de propulsión híbrido.

Tecnologías industriales

Tanto los propelentes sólidos como los líquidos se basan en la combustión en presencia de oxígeno para producir gases calientes. Cuando estos se ven obligados a salir por la parte posterior del cohete, éste es empujado hacia delante, tal y como Newton describió por medio de su tercera ley del movimiento. Los científicos pretendían mejorar la situación con el proyecto «Innovative propellants in hybrid propulsion technology and its applications in space transportation» (ORPHEE), financiado por la UE. Los cohetes híbridos queman un combustible sólido en presencia de un oxidante líquido. El combustible sólido tiene la ventaja de la simplicidad y del menor coste, mientras que el líquido permite un control del flujo ajustable (estrangulamiento), asegurando una maniobra más precisa y una inserción orbital más segura. Las propuestas anteriores para cohetes híbridos se han centrado en aumentar la superficie de combustión para alcanzar el rendimiento deseado, pero esto provoca un aumento no deseado en el peso y el volumen. ORPHEE pretendía optimizar la tasa de regresión del combustible sólido, la velocidad a la que el sólido se desvanece a medida que se quema. Un aumento de la tasa de regresión reduce el volumen del grano de combustible sólido, mejorando así el rendimiento. ORPHEE estudió tres aplicaciones seleccionadas que consisten en etapas superiores híbridas, módulos de aterrizaje lunares o marcianos y propulsores de la primera etapa de bajo coste. Primero, los científicos caracterizaron los combustibles candidatos para cada aplicación mediante experimentos de combustión a pequeña escala. Cuando la escala del proceso se amplió, los nuevos conocimientos sobre las propiedades mecánicas de los granos de combustible llevaron a adaptaciones en la fabricación que mejoraron de forma significativa la calidad del grano de combustible. Durante el último año del proyecto, se han desarrollado nuevas fórmulas con la adición de polvos metálicos para aumentar la tasa de regresión del combustible sólido. Las pruebas de encendido no mostraron los incrementos esperados en la tasa de regresión observados a escalas más pequeñas. Sin embargo, tales observaciones permitieron a la inclusión de parámetros clave afectados por un aumento de escala en los numerosos modelos numéricos desarrollados. Este conocimiento debería ser particularmente importante para los estudios de diseño posteriores. Se han diseñado dispositivos de demostración de las tres aplicaciones y se han realizado estudios preliminares mediante dinámica de fluidos computacional (DFC). Además, se ha elaborado una hoja de ruta de las tecnologías híbridas basada en los resultados de ORPHEE. A largo plazo, se espera que ORPHEE tenga un impacto importante sobre la sostenibilidad y competitividad del programa espacial europeo.

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