ES2895390T3 - Sistema hipergólico de dos sustancias para motores cohete - Google Patents
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Abstract
Sistema hipergólico de dos sustancias para motores cohete, que comprende un combustible y un oxidante, que se suministran separadamente uno de otro y que pueden hacerse reaccionar en un motor cohete poniéndolos en contacto entre sí, caracterizado por que - el combustible es un líquido iónico que está formado por un anión tiocianato y uno o varios cationes, en donde el catión o los cationes se seleccionan entre uno o varios iones imidazolio de fórmula general I, iones triazolio de fórmula general II o III y/o iones tetrazolio de fórmula general IV: **(Ver fórmula)** en donde R1 es un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6, en donde R2 es hidrógeno o un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6, y en donde X1, X2 y X3 son en cada caso, de manera independiente entre sí, hidrógeno, un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6; y por que - el oxidante comprende peróxido de hidrógeno.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema hipergólico de dos sustancias para motores cohete
La presente invención se refiere a un sistema hipergólico de dos sustancias para motores cohete según la reivindicación 1, que comprende un combustible y un oxidante que se suministran separadamente uno de otro y que pueden hacerse reaccionar en un motor cohete poniéndolos en contacto entre sí.
En vehículos espaciales se requieren propulsiones por cohete no solo para alcanzar una órbita terrestre (órbita), sino también para controlar la posición y para maniobrar el vehículo espacial dentro de la órbita. Como todos los motores cohete, las propulsiones orbitales empleadas para ello se basan en el principio de retroceso, pudiéndose distinguir tres tipos de motores orbitales en función del propelente utilizado:
En los motores de gas frío, el propelente es un gas a presión que es liberado al abrir una válvula y se expulsa a través de una tobera. Por tanto, los motores de gas frío se basan en un efecto puramente físico y son de construcción muy simple, pero solo proporcionan una energía propulsora relativamente pequeña. El impulso específico de estos motores se sitúa típicamente en el intervalo de 70 a 80 s.
Los motores cohete químicos basados en sistemas de una sola sustancia utilizan como propelente un compuesto químico que puede originar una reacción de descomposición exotérmica. Los productos de descomposición gaseosos de esta reacción de descomposición, que normalmente es inducida por un catalizador, son expulsados a través de una tobera y generan el empuje. El impulso específico de tales motores se sitúa típicamente en el intervalo de 170 a 250 s. Constituye un inconveniente el hecho de que, por regla general, se necesita un sistema de calefacción para fluidificar, o impedir que se congelen, los propelentes adecuados como sistemas de una sola sustancia.
Las más importantes entre las propulsiones orbitales, en particular para vehículos espaciales de gran tamaño, son los sistemas hipergólicos de dos sustancias. Estos comprenden como sistema de propelentes un combustible líquido y un oxidante líquido, que reaccionan exotérmicamente entre sí y liberan productos de combustión gaseosos para generar el empuje. La densidad de energía de un sistema de dos sustancias, constituido por combustible y oxidante, es generalmente superior a la de los sistemas de una sola sustancia, pudiéndose conseguir un impulso específico en el intervalo de 270 a 320 s. Además, no se requiere calefacción, ya que los componentes utilizables se encuentran en forma líquida dentro un amplio abanico de temperaturas.
Los sistemas de dos sustancias destacados para los motores orbitales son fundamentalmente hipergólicos, es decir, la reacción química entre el combustible y el oxidante ocurre espontáneamente cuando se les pone en contacto, sin necesidad de una fuente de ignición externa. No obstante, en el caso de algunos combustibles u oxidantes puede ser necesario añadir aditivos reactivos o catalíticos para permitir la ignición hipergólica.
Los sistemas hipergólicos de dos sustancias conocidos en el estado de la técnica incluyen como combustible hidrazina y/o sus derivados (por ejemplo monometilhidrazina y dimetilhidrazina asimétrica), y como oxidante tetróxido de dinitrógeno, eventualmente mezclado con otros óxidos de nitrógeno. Un inconveniente esencial de estos sistemas es la elevada toxicidad de la hidracina y sus derivados. Se trata de compuestos cancerígenos en cuya manipulación se deben observar estrictas medidas de seguridad. Esto origina elevados costes de producción, almacenamiento, transporte y llenado de depósitos. También el tetróxido de dinitrógeno está clasificado como tóxico. Sun et al., Combustion and flame, vol. 205, páginas 441-445, describen un sistema hipergólico de dos sustancias que comprende el líquido iónico [AMIM][SCN] (tiocianato de 1 -alil-3-metilimidazolio) como combustible y ácido nítrico fumante como oxidante.
Así pues, la presente invención se basa en la misión de proporcionar un sistema de propelente para motores cohete, en particular para motores orbitales, con el cual se puedan superar total o parcialmente los inconvenientes antes mencionados.
En el sistema hipergólico de dos sustancias del tipo mencionado al principio, esta misión se logra según la invención por que el combustible es un líquido iónico que está formado por un anión tiocianato y uno o varios cationes, donde el catión o los cationes se seleccionan entre uno o varios iones imidazolio de fórmula general I, iones triazolio de fórmula general II o III y/o iones tetrazolio de fórmula general IV:
donde R2 es hidrógeno o un radical alquilo de Ci a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6, y
donde X1, X2 y X3 son en cada caso, de manera independiente entre sí, hidrógeno, un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6; y por que
el oxidante comprende peróxido de hidrógeno.
Los combustibles utilizados en el sistema de dos sustancias conforme a la invención presentan una toxicidad significativamente menor en comparación con la hidracina y sus derivados, por lo que también se puede reducir considerablemente la posible contaminación ambiental. No obstante, se deriva una ventaja decisiva sobre todo del hecho de que los combustibles son líquidos iónicos que prácticamente no tienen presión de vapor en las condiciones ambientales. Esto permite trabajar sin problemas con tales combustibles sin estar confinados, lo que en comparación con la hidracina simplifica toda la manipulación y reduce los costos asociados con la misma.
Según la invención, también se obtienen ventajas similares gracias al peróxido de hidrógeno utilizado como oxidante. Este no solo es significativamente menos tóxico que el tetróxido de dinitrógeno, sino que también tiene una presión de vapor sustancialmente menor (el tetróxido de dinitrógeno ya hierve a 21 °C). Mientras que el trabajo con tetróxido de dinitrógeno no confinado solamente es factible con protección respiratoria, el peróxido de hidrógeno, tanto en forma pura como en solución acuosa, puede manipularse relativamente sin problemas.
Ya se han descrito, por ejemplo en el documento US 8.758.531 B1, sistemas de dos sustancias para motores cohete, basados en peróxido de hidrógeno como oxidante y líquidos iónicos como combustible. Sin embargo, en los sistemas allí descritos solamente se puede conseguir un comportamiento de ignición hipergólico si se añade un componente adicional que comprenda un anión metalato de hierro, cobalto, níquel o cobre. Estos aditivos adicionales hacen que el sistema en conjunto sea más complejo y también presentan el inconveniente de que, en determinadas circunstancias, pueden precipitar sales metálicas insolubles cuando se almacena el propelente.
Sorprendentemente, los combustibles empleados según la invención se inflaman de manera hipergólica al combinarse con peróxido de hidrógeno como oxidante, incluso sin la adición de otros aditivos, pudiéndose lograr en el denominado ensayo de gota un retardo de ignición inferior a 50 ms. Sin estar ligado a ninguna teoría específica, se presupone que este comportamiento hipergólico se ve favorecido en particular por el anión tiocianato, que actúa como agente reductor sobre el peróxido de hidrógeno.
Los cationes de los líquidos iónicos empleados como combustible se seleccionan según la invención entre heterociclos de cinco miembros con dos a cuatro átomos de nitrógeno, que pueden estar ampliamente sustituidos. Son particularmente preferidos los heterociclos con solo dos átomos de nitrógeno, es decir, los iones imidazolio según la fórmula general I. Están disponibles comercialmente varios tiocianatos de imidazolio sustituidos.
En las fórmulas generales I a IV, R2 también puede ser hidrógeno, mientras que R1 debe ser un radical alquilo o alquenilo. Preferiblemente, R1 y R2 se seleccionan en cada caso, de manera independiente entre sí, entre un grupo metilo, un grupo etilo, un grupo propilo, un grupo butilo, un grupo vinilo y un grupo alilo.
Se prefieren en particular aquellos cationes del líquido iónico en los cuales R1 es un grupo metilo o un grupo vinilo y/o en los cuales R2 es un grupo etilo, un grupo butilo, un grupo vinilo o un grupo alilo.
En las fórmulas generales I a IV, los sustituyentes Xi, X2 y X3 de los átomos de carbono del heterociclo son en cada caso preferiblemente hidrógeno.
En el marco de la invención, son particularmente preferidas como combustible las sales de tiocianato con los siguientes cationes:
3-metilimidazolio (HMIM): HN^ Nt c H3
W
1-etil-3-metilimidazolio (EMIM): 
1 -butil-3-metilimidazolio (BMIM): 
1 -alil-3-vinilimidazolio (AVIM): 
Al menos los compuestos tiocianato de EMIM y tiocianato de BMIM están disponibles comercialmente en la actualidad.
El oxidante del sistema de dos sustancias conforme a la invención comprende peróxido de hidrógeno, ventajosamente en forma de solución acuosa. Se prefiere que el oxidante tenga una concentración de peróxido de hidrógeno de 70 % en peso o más, preferiblemente de 98 % en peso o más. Se prefiere la concentración más alta posible, ya que ello incrementa tanto la estabilidad durante el almacenamiento como la reactividad del peróxido de hidrógeno con el combustible.
Ventajosamente, además del peróxido de hidrógeno el oxidante solo contiene agua y, opcionalmente, uno o varios estabilizantes. Se puede prescindir de los estabilizantes cuando el peróxido de hidrógeno es casi puro. Los estabilizantes preferidos que se admiten para el uso en propelentes de cohete se seleccionan entre nitrato sodio, estannato de potasio trihidratado y estannato de sodio trihidratado.
Como ya se ha mencionado, los sistemas de dos sustancias conformes a la invención ofrecen la ventaja esencial de que presentan un comportamiento hipergólico de ignición, incluso sin la adición de otros aditivos, cuando se pone en contacto el combustible con el oxidante. No obstante, esto no excluye la posibilidad de que, en el marco de la invención, el combustible comprenda uno o varios aditivos para acortar aún más el retardo de ignición cuando se les pone en contacto. Eventualmente, tales aditivos están presentes en el combustible en una proporción de hasta 30 % en peso, más preferiblemente hasta 10 % en peso.
Preferiblemente, los aditivos empleados según la invención son aditivos catalíticos que aceleran la reacción del combustible con el oxidante. Los aditivos se seleccionan preferiblemente entre tiocianatos de metales de transición, en particular entre tiocianatos de manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre.
Como alternativa, o adicionalmente, el combustible también puede comprender un líquido iónico adicional en una proporción de hasta 50 % en peso, preferiblemente hasta 20 % en peso, que contenga iones metálicos. Estos compuestos también actúan como aditivos catalíticos.
El líquido iónico adicional comprende como anión preferiblemente un ion de metal de transición complejado, preferiblemente un complejo de haluro, cianuro, nitrato, tetrahidroborato, azida, dicarburo o metiloxi de hierro, cobalto, níquel o cobre.
Resulta particularmente ventajosa la adición de otro líquido iónico que comprenda un anión tetracloroferrato, tal como tetracloroferrato de BMIM, por ejemplo.
El sistema de propelente hipergólico conforme a la invención se caracteriza por un corto retardo de ignición cuando se pone en contacto el combustible con el oxidante. Este retardo de ignición en el ensayo de gota es preferiblemente inferior a 50 ms, más preferiblemente inferior a 20 ms.
La presente invención se refiere además al uso del sistema hipergólico de dos sustancias conforme a la invención como propelente en un motor cohete, en particular en una propulsión orbital. No obstante, el posible uso no se limita a propulsiones orbitales, sino que en principio abarca todos los ámbitos de aplicación de los motores cohetes.
Los siguientes ejemplos sirven para explicar con más detalle la invención, sin limitarla en modo alguno.
EJEMPLOS
1. Realización del ensayo de gota
Para determinar el retardo de ignición en diversos sistemas de dos sustancias conformes a la invención, se coloca en un recipiente abierto el combustible respectivo, en una cantidad de 1 ml. Se deja caer como oxidante sobre el combustible, desde una altura de 80 mm, una gota de una solución acuosa de peróxido de hidrógeno al 96 % en peso, con un volumen de 50 pl. Con ayuda de una cámara se determina el retardo de ignición, que se define como el tiempo que transcurre entre el primer contacto del combustible con el oxidante y la primera aparición de una llama.
2. Resultados
Como ejemplos de distintos sistemas de dos sustancias conformes a la invención se estudiaron en el ensayo de gota los siguientes combustibles:
- tiocianato de 1 -butil-3-metilimidazolio (BMIM-SCN), tanto sin aditivos como con 6 % en peso de tiocianato de cobre o con 30 % en peso de tetracloroferrato de BMIM como aditivo
- tiocianato de 1 -etil-3-metilimidazolio (EMIM-SCN), tanto sin aditivos como con 6 % en peso de tiocianato de cobre como aditivo
En la tabla siguiente se indican los retardos de ignición medidos. Se trata en cada caso del valor medio, con su desviación estándar, del número de ensayos que se indica entre paréntesis:
Los ensayos muestran que, tanto con BMIM-SCN como con EMIM-SCN como combustible, se logra un retardo de ignición significativamente inferior a 50 ms sin otros aditivos, lo que en la práctica representa un comportamiento de ignición suficientemente rápido para un sistema hipergólico de dos sustancias.
Mediante la adición de diversos aditivos catalíticos se puede reducir aún más el retardo de ignición del sistema de dos sustancias conforme a la invención, de modo que se alcanzan preferiblemente valores por debajo de 20 ms.
Claims (15)
1. Sistema hipergólico de dos sustancias para motores cohete, que comprende un combustible y un oxidante, que se suministran separadamente uno de otro y que pueden hacerse reaccionar en un motor cohete poniéndolos en contacto entre sí,
caracterizado por que
- el combustible es un líquido iónico que está formado por un anión tiocianato y uno o varios cationes,
en donde el catión o los cationes se seleccionan entre uno o varios iones imidazolio de fórmula general I, iones triazolio de fórmula general II o III y/o iones tetrazolio de fórmula general IV:
en donde R2 es hidrógeno o un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6, y
en donde X1, X2 y X3 son en cada caso, de manera independiente entre sí, hidrógeno, un radical alquilo de C1 a C6 o un radical alquenilo de C2 a C6; y por que
- el oxidante comprende peróxido de hidrógeno.
2. Sistema hipergólico de dos sustancias según la reivindicación 1, en donde el catión es un ion imidazolio de fórmula general I.
3. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde R1 y R2 se seleccionan en cada caso, de manera independiente entre sí, entre un grupo metilo, un grupo etilo, un grupo propilo, un grupo butilo, un grupo vinilo y un grupo alilo.
4. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde R1 es un grupo metilo o un grupo vinilo.
5. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde R2 es un grupo etilo, un grupo butilo, un grupo vinilo o un grupo alilo.
6. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde X1, X2 y X3 son en cada caso hidrógeno.
7. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el combustible comprende uno o varios de los siguientes cationes:
- 3-metilimidazolio (HMIM),
- 1 -etil-3-metilimidazolio (EMIM),
- 1 -butil-3-metilimidazolio (BMIM),
- 1 -alil-3-metilimidazolio (AMIM),
- 1 -vinil-3-metilimidazolio (VMIM),
- 1 -alil-3-vinilimidazolio (AVIM).
8. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el oxidante tiene una concentración de peróxido de hidrógeno del 70 % en peso o más, preferiblemente del 98 % en peso o más.
9. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes en donde, además de peróxido de hidrógeno el oxidante solo contiene agua y opcionalmente uno o varios estabilizantes.
10. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el combustible comprende uno o varios aditivos para acortar el retardo de ignición cuando se le pone en contacto con el oxidante, en una proporción de hasta el 30 % en peso, preferiblemente hasta el 10 % en peso.
11. Sistema hipergólico de dos sustancias según la reivindicación 10, en donde el o los aditivos son aditivos catalíticos que se seleccionan preferiblemente de tiocianatos de metales de transición, en particular de tiocianatos de manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre.
12. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el combustible comprende un líquido iónico adicional en una proporción de hasta el 50 % en peso, preferiblemente hasta el 20 % en peso, que contiene iones metálicos.
13. Sistema hipergólico de dos sustancias según la reivindicación 12, en donde el líquido iónico adicional comprende como anión un ion de metal de transición complejado, preferiblemente un complejo de haluro, cianuro, nitrato, tetrahidroborato, azida, dicarburo o metiloxi de hierro, cobalto, níquel o cobre.
14. Sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes en donde, cuando se pone en contacto el combustible con el oxidante en el ensayo de gota, el sistema presenta un retardo de ignición inferior a 50 ms, preferiblemente inferior a 20 ms.
15. Uso de un sistema hipergólico de dos sustancias según una de las reivindicaciones precedentes como propelente en un motor cohete, en particular en una propulsión orbital.
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