Giancarlo Elia Valori*
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Entre las diversas tecnologías de propulsión aeroespacial, los motores de cohetes de propelente líquido fueron los primeros en ingresar a las aplicaciones de ingeniería aeroespacial debido a su alto rendimiento y confiabilidad, y buena adaptabilidad a las misiones. Siempre han tenido una posición dominante, fomentando las primeras pruebas a partir de 1926, así como el nacimiento y desarrollo de misiles balísticos (1944-1970) y cohetes portadores (1957 hasta la fecha), que abrieron la era de los vuelos espaciales tripulados y apoyaron el vigoroso desarrollo de las actividades relacionadas.
El sistema de propulsión principal, el sistema de propulsión auxiliar de los vehículos de lanzamiento (con la excepción de los pequeños vehículos de lanzamiento sólidos), los transbordadores espaciales, los aviones aeroespaciales (como el transbordador espacial), las naves espaciales, los satélites, las estaciones espaciales, las sondas del espacio profundo y otros medios, utilizan actualmente el cohete de propelente líquido.
Sobre la base de las diferentes necesidades de aplicación, los motores de cohetes de propelente líquido han desarrollado varios tipos y cientos de productos de ingeniería con diferentes niveles de empuje, propulsores y métodos de alimentación de ciclo de potencia.
Entre ellos, el rendimiento y el nivel técnico de los motores utilizados para el sistema de propulsión principal de las etapas terrestre y superior del vehículo de lanzamiento (denominado motor principal) determinan directamente la eficacia del vehículo de lanzamiento e influyen en la capacidad y el nivel de acceso, exploración, utilización y desarrollo del espacio de un país. Por lo tanto, tales sistemas se consideran la piedra angular del desarrollo aeroespacial, así como una importante garantía estratégica para la seguridad nacional y el estatus de gran potencia.
Al mismo tiempo, el motor principal es técnicamente complejo y difícil, con un largo ciclo de desarrollo y altos costos. Pertenece a la industria central estratégica nacional y es una expresión concentrada de la base industrial del país, del nivel científico y tecnológico y de la fuerza nacional general. En el mundo de hoy, solo unos pocos países como los Estados Unidos de América, la República Popular de China, Rusia, Francia y Japón pueden desarrollar de forma independiente el motor principal del cohete a escala industrial.
Los requisitos del vehículo de lanzamiento para el motor principal incluyen alto empuje, impulso específico, relación empuje-peso, confiabilidad y bajo costo. Estos indicadores hacen que el motor funcione con parámetros extremos que agotan el rendimiento límite de los materiales y logran las características operativas de liberación de alto nivel y conversión de energía en un espacio estructural pequeño.
Estos parámetros de condiciones de funcionamiento extremadamente altas y tiempos de arranque extremadamente cortos (generalmente menos de 3 segundos) no son igualados por todas las demás máquinas termodinámicas.
Debido a las características operativas anteriores, combinadas con el perfil ambiental y de misión, los motores se están volviendo cada vez más complejos, y el motor principal de cohete de propelente líquido tiene características técnicas únicas, incluidas las siguientes:
1) el mecanismo del proceso de trabajo es complejo y difícil de predecir y controlar de manera efectiva;
2) problemas como la oscilación de choque del sistema durante la transición del motor, el acoplamiento multicampo de los componentes (como la inestabilidad de la combustión, la vibración inducida por el flujo, etc.) y la vibración subsíncrona del rotor flexible, han causado fallas en el motor muchas veces en la historia de la aeronáutica espacial, y se necesita mucho tiempo y dinero para resolver problemas como la combustión inestable de alta frecuencia y la vibración subsíncrona de otros motores de hidrógeno-oxígeno.
Sin embargo, el mecanismo aún no se ha aclarado completamente y el método de simulación del proyecto aún no está maduro, lo que resulta en una gran dependencia de las pruebas y dificultades en la solución de problemas y mejoras. Para los motores de alto empuje, en particular, las cuestiones relacionadas con los efectos de escala, como la estabilidad de la combustión, el equilibrio de la fuerza axial de la turbobomba y la estabilidad del rotor, serán cada vez más importantes si se quieren alcanzar distancias siderales serias.
El entorno de carga es complejo y duro, y la resistencia estructural y los problemas de fatiga/estrés son importantes, como la carga operativa extrema, incluida la alta velocidad, la presión, el flujo de calor, la temperatura, el choque térmico durante el arranque, etc.
La alta relación empuje-peso del motor requiere una estructura ligera y el entorno de carga complejo y rígido causa problemas importantes, como un margen bajo, lo que conduce a una alta incertidumbre y peligros de modo de falla en la fuerza del motor y el ciclo de vida de fatiga / estrés.
En términos de procesamiento de componentes, algunas tecnologías de producción especiales son difíciles (como el moldeo o el mecanizado de precisión a una escala extrema, la eliminación eficiente de materiales difíciles de procesar, la preparación especial de soldaduras y recubrimientos, etc.). Además, el impacto del proceso en el rendimiento de los materiales estructurales es difícil de probar y evaluar.
En términos de montaje general e inspección, es difícil conectar con precisión los componentes, garantizar la coherencia del propio conjunto y detectar el estado del montaje (elementos redundantes, errores, tensiones, etc.).
En términos de uso y mantenimiento, hay pocas interfaces de motor y el entorno y las condiciones son limitadas, lo que dificulta la detección, el procesamiento y la evaluación de la situación y luego la reparación y el mantenimiento rápidos.
El motor principal de los cohetes de propelente líquido se originó a partir de la aplicación de misiles estratégicos y fue ampliamente desarrollado bajo el impulso de sistemas de transporte espacial basados en vehículos de lanzamiento.
La carrera armamentista entre los Estados Unidos de América y la Unión Soviética, que inició la lucha por la carrera espacial y ciertamente no fue la «voluntad del hombre por e puro conocimiento», desarrolló una serie de misiles balísticos y sus vehículos de lanzamiento derivados dieron lugar a los cohetes de alunizaje. En tal contexto, el motor principal de los cohetes de propelente líquido se desarrolló de manera integral, con un gran número de tipos y cantidades de investigación y producción, bajo rendimiento y sin énfasis en el costo.
Los propelentes eran principalmente tóxicos y almacenables, a saber, kerosene de oxígeno líquido y más tarde oxígeno líquido enriquecido e hidrógeno líquido. El método se basó principalmente en el ciclo del generador de gas y más tarde desarrolló un ciclo de combustión adicional de alto rendimiento y un ciclo de expansión.
Los motores propulsores convencionales típicos se originaron en los Estados Unidos de América (Titán), y los motores de oxígeno líquido, hidrógeno líquido y kerosene de ciclo de expansión incluyen Thor, Delta y Saturn.
Los motores propulsores convencionales típicos desarrollados por la Unión Soviética incluían el Cosmos; los de combustión suplementaria enriquecidos con oxígeno incluían el Protón y los de kerosene de oxígeno líquido incluían el Soyuz. Francia desarrolló el motor Viking. China creó el motor YF-20/24 para apoyar el desarrollo de la serie CZ-2/3/4 de vehículos de lanzamiento convencionales. De 1972 a 1993 se desarrollaron motores de alto rendimiento para la industria aeroespacial civil.
El cohete portador se desarrolló independientemente de la influencia de los misiles balísticos. Las características típicas son el hecho de hacer que el kerosene de oxígeno líquido y el hidrógeno líquido de oxígeno líquido no sean tóxicos; y el hecho de mostrar un alto rendimiento en relación con el ciclo adicional de combustión y expansión para producir un alto empuje de referencia. Ejemplos de aeronaves espaciales civiles son el Motor Principal del Transbordador Espacial estadounidense (SSME); la antigua Energia soviética y Zenit; los europeos Ariane y Vulcain; el japonés LE-5 y el Rich Afterburn, y el chino YF-75.
El cohete portador se desarrolló independientemente de la influencia de los misiles balísticos. De 1994 a 2009 se desarrollaron motores guiados por cohetes con alta confiabilidad, bajo costo y perfilado.
El mercado internacional de motores de lanzamiento está en auge, pero la rentabilidad y la seguridad del Transbordador Espacial no han cumplido con las expectativas: alta confiabilidad, bajo costo y cohetes modulares únicos se han convertido en el foco del desarrollo.
El desarrollo de motores basados en la alta fiabilidad, el bajo coste y la modularización del sistema de propulsión se ha convertido en un factor importante. El desarrollo y la mejora del motor en varios países se llevan a cabo en base a este principio. (1. Continuará)
* Copresidente del Consejo Asesor Honoris Causa. El Profesor Giancarlo Elia Valori es un eminente economista y empresario italiano. Posee prestigiosas distinciones académicas y órdenes nacionales. Ha dado conferencias sobre asuntos internacionales y economía en las principales universidades del mundo, como la Universidad de Pekín, la Universidad Hebrea de Jerusalén y la Universidad Yeshiva de Nueva York. Actualmente preside el «International World Group», es también presidente honorario de Huawei Italia, asesor económico del gigante chino HNA Group y miembro de la Junta de Ayan-Holding. En 1992 fue nombrado Oficial de la Legión de Honor de la República Francesa, con esta motivación: “Un hombre que puede ver a través de las fronteras para entender el mundo” y en 2002 recibió el título de “Honorable” de la Academia de Ciencias del Instituto de Francia.
Traducido al español por el Equipo de la SAEEG con expresa autorización del autor. Prohibida su reproducción.
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