ES2246875T3 - Sistema de propulsion basado en peroxido de hidrogeno. - Google Patents

Sistema de propulsion basado en peroxido de hidrogeno.

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ES2246875T3 ES00948140T ES00948140T ES2246875T3 ES 2246875 T3 ES2246875 T3 ES 2246875T3 ES 00948140 T ES00948140 T ES 00948140T ES 00948140 T ES00948140 T ES 00948140T ES 2246875 T3 ES2246875 T3 ES 2246875T3
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Wai San DERA Pyestock CHEUNG
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Abstract

Un motor productor de empuje para un micro vehículo aéreo, que comprende un depósito que contiene peróxido de hidrógeno conectado a una zona (5) adaptada para descomponer tal peróxido de hidrógeno, y una tobera (5); caracterizado por medios para proporcionar un combustible hidrocarbonado adaptado para quemarse consumiendo el oxígeno de dicha descomposición del peróxido de hidrógeno, mediante lo cual, durante el uso, los productos de dicha descomposición y combustión salen a través de dicha tobera (5); y un conducto (9) que circunda dicha tobera (5) a través del cual, durante el uso, se hace que el aire fluya como consecuencia del flujo de productos que salen a través de dicha tobera (5).

Description

Sistema de propulsión basado en peróxido de hidrógeno.
La invención se refiere a motores de peróxido de hidrógeno (H_{2}O_{2}) y en particular a un nuevo motor híbrido cohete/turbina basado en peróxido de hidrógeno y al sistema de propulsión basado en peróxido de hidrógeno para la propulsión de micro vehículos aéreos.
Los micro vehículos aéreos (MAVs) juegan un papel clave en operaciones militares y de vigilancia. Para estos MAVs, se necesita un intervalo de características motoras para alcanzar requisitos específicos, tales como baja velocidad, bajo ruido, alta velocidad, etc. En esta memoria descriptiva los MAVs se definen como vehículos aéreos que tienen una envergadura de un metro o menos y/o un peso de 2 kg o menos. Características tales como peso, facilidad de arranque, fiabilidad, etc. son importantes en la elección de la fuente de energía. Normalmente las máquinas o motores que consumen aire son atractivos por razones del peso porque no tienen que llevar su propio oxidante. Sin embargo, esto puede no ser tan importante a pequeña escala cuando la masa del motor es por sí misma relativamente alta. Además, los motores pequeños tienen, por supuesto, relativamente pobre eficacia térmica y propulsora debido a temperaturas de ciclo bajas.
Son conocidos los motores de peróxido de hidrógeno. Los inventores han determinado que estos motores se pueden construir suficientemente pequeños y dar los requisitos de rendimiento adecuados para usar en MAVs. El peróxido de hidrógeno se puede generar hoy día "sobre el terreno" por técnicas electrolíticas. Se puede descomponer catalíticamente para producir vapor y oxígeno a alta temperatura y es un propelente aceptable por si mismo con un empuje específico alto y una firma infrarroja (IR) baja. El documento WO 98/02.643 describe un micro cohete en el que se usa peróxido de hidrógeno como un monopropelente y se descompone para producir el empuje. El documento US 5.477.672 describe un aparato a escala macro para la generación de gas en el que un combustible hidrocarbonado se hace reaccionar con un gas de combustión creado por la descomposición de peróxido de hidrógeno para crear un gas a alta temperatura y alta presión que se eyecta a través de una tobera para accionar una turbina. El documento US 3.898.794 describe una fuente de energía a escala macro en la que el peróxido de hidrógeno se descompone y la mezcla resultante de vapor de agua y oxígeno se pone en contacto con un combustible hidrocarbonado provocando la combustión, los gases producidos de ese modo pasan a través de un venturi y golpean las aspas de una rueda de turbina para accionar un vehículo, barco o equipo industrial tal como un generador eléctrico.
La invención comprende un motor productor de empuje para un micro vehículo aéreo que comprende un depósito que contiene peróxido de hidrógeno conectado a una zona adaptada para descomponer tal peróxido de hidrógeno, y una tobera; caracterizado por medios para proporcionar un combustible hidrocarbonado adaptado para quemarse consumiendo el oxígeno procedente de dicha descomposición del peróxido de hidrógeno, mediante lo cual, durante el uso, los productos de dicha descomposición y combustión salen a través de dicha tobera; y un conducto que circunda dicha tobera a través del cual, durante el uso, se hace que el aire fluya como consecuencia del flujo de productos que salen a través de dicha tobera.
La invención también reside en un micro vehículo aéreo que comprende un motor como se definió anteriormente para su propulsión y en un método para propulsar un micro vehículo aéreo que comprende descomponer peróxido de hidrógeno y hacer salir al menos uno de sus productos a través de una tobera para producir empuje; caracterizado por quemar un combustible hidrocarbonado con el oxígeno producido por dicha descomposición del peróxido de hidrógeno, y hacer salir los productos de dicha descomposición y combustión a través de dicha tobera; y hacer que el aire fluya a través de un conducto que circunda dicha tobera como consecuencia del flujo de productos que salen a través de dicha tobera.
La invención se describirá ahora por medio de ejemplo sólo y con referencia a las siguientes figuras de las que:
La Figura 1 muestra una realización de la invención que comprende una cámara/turbina de descomposición y combustión y un ventilador de doble efecto.
En una realización de la invención, una fuente de energía de MAV incluye un depósito de combustible que contiene 34 g de H_{2}O_{2}. Para contener este peso de combustible, el depósito de combustible puede ser un cilindro simple (2 cm de diámetro y 7,5 cm de longitud). El depósito de combustible sólo pesará aproximadamente 16 g si está hecho de aluminio y su espesor (1 mm) debería ser suficiente para contener la presión dentro del depósito. El depósito de combustible se conecta a una cámara/tobera de descomposición y combustión de peso menor que 2 g.
La descomposición del H_{2}O_{2} es un proceso exotérmico en el que tiene lugar una subida sustancial de la temperatura. Los cálculos termodinámicos de una disolución de 90% de H_{2}O_{2} muestran que se alcanza una temperatura de 1.022K (749ºC) y una presión de 35,5 bar (515 psi) cuando se permite a los productos de la descomposición expandirse adiabáticamente a presión atmosférica.
Se usa una única tobera convergente/divergente en los cálculos de parámetros de flujo necesarios para disminuir la presión en la cámara de combustión y en el área de salida de la tobera. Una presión en la cámara de 2,07 bar (30 psi) y un diámetro para la salida de la tobera de aproximadamente 2 mm producirá un flujo másico a través de la tobera de 0,17 g/s y una velocidad de salida de la tobera de 1,1 mach. El empuje producido ahora es aproximadamente 0,124 N que es comparable a la cantidad requerida para propulsar un MAV.
De acuerdo con la invención, un sistema bipropelente usa combustible hidrocarbonado para consumir el exceso de oxígeno. El sistema usa un depósito adicional para almacenar el hidrocarburo. Esto tiene una ventaja clara en resistencia sobre un sistema monopropelente. Sin embargo, la ganancia en resistencia debe compensar el incremento en la temperatura de combustión y la complejidad en el sistema de combustible. A temperaturas superiores a 2.400K muy pocos materiales serán adecuados para fabricar la cámara de combustión. Se deben también implementar técnicas de enfriamiento muy eficaces para evitar dañar la cámara de combustión. Preferiblemente, el sistema de propulsión utiliza peróxido de hidrógeno y queroseno como combustible y oxigeno como oxidante. Un sistema de propulsión bipropelente (H_{2}O_{2} y queroseno) presenta una mejora de 70% en resistencia de vuelo pero presenta alta temperatura de escape (circa 2.700K) que hace muy difícil el diseño y la selección del material para la cámara/tobera de combustión. Un sistema bipropelente con oxígeno a bordo da la mejor resistencia de vuelo.
En la realización más preferida, el sistema comprende un sistema bipropelente como se describió anteriormente con la adición de un ventilador de doble efecto. Una disposición tal no es conocida por si misma. la Figura 1 es una figura que muestra la disposición 4 de un motor ventilador de doble efecto basado en peróxido de hidrógeno que comprende la disposición 5 de la cámara/tobera de descomposición y combustión, y un turboventilador 6 que comprende turbina 7 y ventilador 8 dispuestos en un conducto 9. En el diseño del motor ventilador de doble efecto, el aire pasa alrededor del exterior de la cámara/tobera de descomposición y combustión. La parte delantera de la cámara de descomposición y combustión tiene que conformarse para que evite la separación del flujo. La cámara/tobera 5 alcanzará temperaturas muy altas durante el funcionamiento y el flujo desviado ayudará a enfriar la tobera. Para una relación de desvío de 10, se halla que la velocidad de flujo de salida del conducto es de aproximadamente 300 m/s y la salida del conducto es de 3 mm de diámetro. Se estima que la velocidad de rotación del ventilador es de 1,63 E6 rpm. Esto es debido al pequeño tamaño del ventilador. Estos cálculos se basan en un área de la garganta de la tobera de 1 mm de diámetro. El empuje total producido por este motor es 0,634 N. También se quema un combustible con base de hidrocarburos en la cámara de descomposición y combustión, en la zona de la tobera, usando, al menos en parte, oxígeno producido por la descomposición de peróxido de hidrógeno.

Claims (9)

1. Un motor productor de empuje para un micro vehículo aéreo, que comprende un depósito que contiene peróxido de hidrógeno conectado a una zona (5) adaptada para descomponer tal peróxido de hidrógeno, y una tobera (5); caracterizado por medios para proporcionar un combustible hidrocarbonado adaptado para quemarse consumiendo el oxígeno de dicha descomposición del peróxido de hidrógeno, mediante lo cual, durante el uso, los productos de dicha descomposición y combustión salen a través de dicha tobera (5); y un conducto (9) que circunda dicha tobera (5) a través del cual, durante el uso, se hace que el aire fluya como consecuencia del flujo de productos que salen a través de dicha tobera (5).
2. Un motor según la reivindicación 1, que comprende una turbina (7) adaptada para ser accionada por los productos que salen a través de dicha tobera (5).
3. Un motor según la reivindicación 2, que comprende un ventilador (8) adaptado para ser accionado por dicha turbina (7).
4. Un motor según la reivindicación 3, en el que dicho ventilador (8) está situado en dicho conducto (9).
5. Un micro vehículo aéreo, que comprende un motor para su propulsión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
6. Un método de propulsar un micro vehículo aéreo, que comprende descomponer peróxido de hidrógeno y hacer salir al menos uno de sus productos a través de una tobera (5) para producir empuje; caracterizado por quemar un combustible hidrocarbonado con oxígeno producido por dicha descomposición del peróxido de hidrógeno, y hacer salir los productos de tal descomposición y combustión a través de dicha tobera (5); y hacer que el aire fluya a través de un conducto (9) que circunda dicha tobera (5) como consecuencia del flujo de productos que salen a través de dicha tobera (5).
7. Un método según la reivindicación 6, en el que dichos productos salen hacia una turbina (7).
8. Un método según la reivindicación 7, en el que dicha turbina acciona un ventilador (8).
9. Un método según la reivindicación 8, en el que el aire fluye hacia dicho ventilador (8) a través de dicho conducto (9).
ES00948140T 1999-07-26 2000-07-26 Sistema de propulsion basado en peroxido de hidrogeno. Expired - Lifetime ES2246875T3 (es)

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