El hidrógeno líquido (LH2) y el oxígeno líquido (LO2) se almacenan en tanques separados a presiones medias bajas y temperaturas muy bajas. El punto de ebullición de LH2 es 20.271 K (−252.879 ° C) y LO2 es 90.188 K (-182.962 ° C). Los propulsores se almacenan por debajo de sus respectivos puntos de ebullición y en estado líquido a presiones de tanque medio-bajas, LH2 a 230 kPa [absoluto] y LO2: 150 kPa [indicador].
Los propulsores almacenados en tanques de baja y media presión se entregan a cámaras de combustión de alta presión utilizando una red de tuberías y conjuntos de turbopuntas.
Esquema del motor principal del transbordador espacial
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Ensambles de turbobomba SSME para combustible (LH2) y oxidante (LO2)
Estas turbopuntas tienen palas que giran a velocidades muy altas. Extraen los propulsores de los tanques, aumentan la presión a medida que pasan a través de las cuchillas giratorias, evitan la cavitación (formación de vapores en líquidos debido a la disminución de la presión) y luego entregan el caudal másico requerido al mamparo del inyector.
El inyector se encuentra justo encima de la cámara de combustión principal. Es aquí, en el inyector, donde se produce la mezcla. Aquí está el conjunto del inyector SSME:
La función del inyector es similar a la de un carburador de un motor de combustión interna. El inyector tiene que introducir y medir el flujo de los propulsores líquidos a la cámara de combustión, hacer que los líquidos se rompan en pequeñas gotas (un proceso llamado atomización), y distribuir y mezclar los propulsores de tal manera que una mezcla correctamente proporcionada de combustible y oxidante resultará, con un flujo de masa propulsor uniforme y composición sobre la sección transversal de la cámara.
El patrón de orificio de inyección en la cara del inyector está estrechamente relacionado con los colectores internos o pasajes de alimentación dentro del inyector. Estos proporcionan la distribución del propelente desde la entrada del inyector a todos los orificios de inyección. Un volumen múltiple complejo grande permite velocidades de paso bajas y una buena distribución del flujo sobre la sección transversal de la cámara. Un volumen múltiple pequeño permite un inyector más liviano y reduce la cantidad de flujo de “goteo” después de cerrar las válvulas principales. Las velocidades de paso más altas causan un flujo más desigual a través de diferentes orificios de inyección idénticos y, por lo tanto, una distribución más pobre y una variación de composición de gas local más amplia. El goteo resulta en una postcombustión, que es una combustión irregular ineficiente que proporciona un pequeño empuje de “corte” después del cierre de la válvula. Para aplicaciones con requisitos de velocidad de vehículos terminales muy precisos, el impulso de corte debe ser muy pequeño y reproducible y, a menudo, se incorporan válvulas en el inyector para minimizar el volumen de paso.
Esquema de diferentes tipos de inyectores.
El motor principal del transbordador espacial utiliza un inyector coaxial de corte. Es similar al tipo de inyector de poste hueco y elemento de manga que se muestra en la figura anterior. El inyector SSME que se muestra usa 600 de estos elementos de inyección de manga concéntrica; 75 de ellos se han alargado más allá de la cara del inyector para formar deflectores enfriados, lo que reduce la incidencia de inestabilidad de la combustión.
Hay un parámetro específico para la mezcla de los dos propulsores, la relación de mezcla . Consideremos la reacción.
[matemáticas] H_2 + \ frac {1} {2} O_2 = H_2O [/ matemáticas]
Todo el hidrógeno y oxígeno se consume para formar un producto final, vapor de agua, sin combustible residual u oxidante. En este caso, se requiere 1 mol de [math] H_2 [/ math] y [math] \ frac {1} {2} [/ math] mol de [math] O_2 [/ math] para obtener 1 mol de [math ] H_2O. [/ Matemática] En términos de masa, esta mezcla estequiométrica requiere la mitad de 32.0 gramos de [matemática] O_2 [/ matemática] y 2 gramos de [matemática] H_2 [/ matemática] que están en la relación de masa de la mezcla estequiométrica de 8: 1. La liberación de energía por unidad de masa de la mezcla propulsora y la temperatura de combustión son más altas en o cerca de la mezcla estequiométrica.
Sin embargo, los sistemas de propulsión de cohetes operan en condiciones ricas en combustible , en las cuales la cantidad de combustible es mayor que la requerida para condiciones estequiométricas. ¿Pero por qué?
El combustible, el hidrógeno, es mucho más ligero que el oxidante, el oxígeno. La condición rica en combustible deja las moléculas livianas [matemáticas] H_2 [/ matemáticas] sin reaccionar, lo que reduce la masa molecular promedio de los productos de reacción, lo que a su vez aumenta el impulso específico .
La relación de mezcla de masa oxidante-combustible del motor principal del transbordador espacial es 6.03: 1
