Los propulsores de gas frío (gas comprimido como nitrógeno u oxígeno) funcionan bien para RCS de corta duración, pero no tanto para cosas como los satélites que permanecen en órbita durante años o décadas, pero son muy confiables y robustos. Esto se debe a cómo funcionan; el uso de algo como Nitrógeno comprimido significa que lo llevas mucho porque los gases comprimidos no son muy densos, por lo que necesitas tanques grandes o tanques de muy alta presión que tienden a ser pesados, no muy buenos para algo en un cohete. Sin embargo, solo por ser gas comprimido, son muy confiables porque lo que necesita es una válvula que funcione. IIRC SpaceX cambió a usar propulsores de gas frío en el refuerzo Falcon 9 porque solo necesita unos minutos de RCS y son más baratos. Sin embargo, durante largos períodos en el espacio, un combustible denso como un líquido que se descompone en un gas caliente, ya que puede almacenar una gran cantidad de combustible en un espacio pequeño sin un tanque pesado. Se han utilizado combustibles distintos de la hidrazina, como el peróxido de alta prueba (> 70% en volumen) y el óxido nitroso, y creo que hay algunos experimentos con nitrato de hidroxilamonio. La hidrazina es la mejor opción porque tiene propiedades bastante convenientes, como ser líquido a temperatura ambiente, alta densidad y tener una entalpía positiva de formación (por lo que produce gases de escape calientes), los otros que enumeré también tienen estas propiedades (excepto Nitroso Óxido, que es un gas en stp), pero la hidrazina es la más eficiente y es más estable que el H2O2 altamente concentrado, aunque significativamente más tóxico. La hidrazina también es la más entendida como monopropelente, ya que es la más utilizada, lo que refuerza su uso. Los ingenieros de cohetes han sopesado estos pros y contras muchas, muchas veces y la hidrazina generalmente se selecciona con el único problema importante que es su toxicidad.
¿Por qué usar hidrazina como monopropelente, si no hay oxidante para que se queme? ¿Por qué no usar algo más seguro como el nitrógeno?
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El nitrógeno comprimido se usa como propulsor para maniobrar paquetes para astronautas adecuados. No es tóxico y se puede almacenar, por lo que es muy adecuado para esta aplicación. Desafortunadamente, no contiene mucha energía.
Libra por libra, el monopropelente de hidrazina tiene tres veces el empuje, por lo que es mucho más práctico en cualquier aplicación donde el revestimiento de trajes espaciales e instrumentos con residuos tóxicos y corrosivos no es una preocupación.
La hidrazina se usa específicamente porque no necesita oxígeno para quemar. Cuando se expone al catalizador correcto a la temperatura correcta, se descompone explosivamente, produciendo empuje. En realidad, hay un monopropelente adecuado para su uso en humanos, y ese es el peróxido de hidrógeno. La mayoría de las personas no piensan en el peróxido de hidrógeno como combustible para cohetes porque todos lo guardamos en el botiquín, pero lo que aplicamos a las heridas es en realidad agua con un pequeño porcentaje de peróxido de hidrógeno mezclado.
El peróxido de hidrógeno puro se usa para impulsar paquetes de cohetes.
El peróxido de hidrógeno produce un 80% más de empuje por peso que la hidrazina, y su escape es solo vapor. No se usa ampliamente en el espacio debido a su alto punto de congelación (casi el mismo que el del agua). La hidrazina es más fácil de almacenar y más potente.
Y, por supuesto, donde la ultra simplicidad no es la fuerza impulsora del diseño, generalmente combinamos hidrazina con tetróxido de dinitrógeno y un oxidante. Esta mezcla bi-propulsora requiere un sistema de propulsión mucho más complejo, pero produce un tercio más de empuje por unidad de masa.
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Impulso específico, simplicidad y legado.
Un sistema de propulsión monopropelente de hidrazina es muy simple. Requiere menos fontanería que un sistema bipropelente y, por lo tanto, hay menos que pueda salir mal y se necesita menos masa y volumen del sistema de propulsión. No requiere que el propulsor se almacene a alta presión o baja temperatura, como se necesita para los sistemas de gas frío. Los sistemas de hidrazina monopropelente han estado en uso desde 1959, por lo que tenemos mucha experiencia con ellos. Se conocen bien y los componentes están fácilmente disponibles.
La hidrazina es densa en energía. Hay más energía disponible por unidad de masa propulsora en hidrazina que en gases fríos, como el nitrógeno. La hidrazina es relativamente termodinámicamente inestable. Solo se necesita un poco de catalizador para que se descomponga y esa descomposición es exotérmica. Se libera mucha energía durante la descomposición.
El simple acto de calentar la hidrazina a alrededor de 500 grados Fahrenheit iniciará la descomposición. Por lo tanto, un sistema de hidrazina monopropelente funciona haciendo fluir la hidrazina líquida a través de un lecho de catalizador calentado. Cuando se alcanza la temperatura, se descompone en amoníaco gaseoso, nitrógeno e hidrógeno, que se expande rápidamente y, cuando se expulsa a través de una válvula de propulsión, crea un empuje significativo.
Un sistema de gas frío, como los propulsores de nitrógeno, funciona de manera bastante simple: el gas se almacena a una presión muy alta y, cuando se libera, escapa a alta velocidad. Sin embargo, almacenar ese gas a alta presión y baja temperatura complica el sistema y agrega masa. La masa agregada significa que el sistema tiene que trabajar más para mover el vehículo la misma cantidad. Hay un número llamado impulso específico que a menudo se usa para evaluar la eficacia de un sistema de propulsión. El impulso específico es la relación entre el empuje producido y el peso necesario para producir ese empuje. Mientras que el gas nitrógeno tiene un impulso específico de alrededor de 80, la hidrazina monopropelente es tres veces mayor, a 240.
La utilidad de la hidrazina como propulsor tiene que ver con su tendencia a descomponerse en amoníaco y nitrógeno cuando se cataliza. Estas reacciones de descomposición son altamente exotérmicas, por lo que la liberación de gases en expansión lo hace eficiente para proporcionar empuje.
Además, variar las propiedades catalíticas de esto puede modificar la reacción para producir una temperatura más alta o un mayor número de moléculas. En aplicaciones de cohetes, una temperatura más alta puede ser más útil, mientras que en otras aplicaciones donde es deseable un mayor volumen de gas, se favorece la reacción endotérmica.
Fuente: Hidrazina – Wikipedia
Porque un solo ml de hidrazina líquida [1] produce aproximadamente 100 ml de amoniaco gaseoso. Todo lo que necesita es pasarlo a través de un catalizador y se autodescompondrá, produciendo una verdadera cantidad de delta-V para su satélite o recipiente.
Para tener el mismo tipo de producción de gas usando nitrógeno comprimido, necesitaría tener un recipiente a presión muy fuerte, que sería bastante pesado.
Por lo tanto, ¡usar hidrazina es una buena idea!
Notas al pie
[1] Hidrazina – Wikipedia
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