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