ES2266498T3 - Elemento de motor de cohete y procedimiento para la fabricacion del mismo. - Google Patents
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Abstract
Elemento de motor de cohete de combustible líquido (10) provisto de una estructura de pared de soporte de la carga (14, 15) que comprende una pluralidad de canales de refrigeración (11) en el que el exterior de la estructura de la pared incluye una pared de chapa de metal curvada (14) y en la que los canales de refrigeración (11) están longitudinalmente unidos, substancialmente en paralelo al eje longitudinal de la boquilla, a la pared de chapa de metal caracterizado porque un material (17) con una conductividad térmica más elevada que la estructura de la pared de soporte de la carga (14, 15) ha sido aplicado a dicha estructura de la pared, porque el material (17) está dispuesto en contacto con la pared de chapa de metal (14), porque el material forma una superficie de contacto substancialmente continua contra la pared de chapa de metal (14), desde la pared de un canal de refrigeración hasta la pared de un canal de refrigeración adyacente y porque el material (17) rodea por lo menos parcialmente las paredes de los canales de refrigeración (11).
Description
Elemento de motor de cohete y procedimiento para
la fabricación del mismo.
La presente invención se refiere a un elemento
de un motor de cohete de combustible líquido provisto de una
estructura de pared de soporte de la carga que comprende una
pluralidad de canales de refrigeración.
Durante el funcionamiento, una estructura de la
pared del elemento del motor de cohete como por ejemplo una boquilla
o una cámara de combustión está sometida a tensiones muy elevadas,
por ejemplo en forma de una temperatura muy elevada en su interior
(del orden de magnitud de 800ºK) y de una temperatura muy baja en su
exterior (del orden de magnitud de 500ºK). Como consecuencia de esta
elevada carga térmica rigurosos requisitos rigen la elección del
material, el diseño y la fabricación de la estructura de la pared.
Por lo menos existe la necesidad de una refrigeración eficaz de la
estructura de la pared.
El documento US 5 233 755 describe un
procedimiento de fabricación de una pared de una cámara de
combustión para un motor de cohete que incluye los pasos del montaje
de una envuelta interior de metal corrugado y una envuelta exterior
de metal y de la soldadura de ambas juntas formando entonces un
recubrimiento interior sobre la cara interior de la envuelta
interior corrugada.
El documento US 5 375 325 describe un elemento
de un motor de cohete con una estructura de pared de soporte de la
carga que comprende una pluralidad de tubos encasquillados, los
cuales se colocan uno al lado del otro contra una camisa estructural
que forma un haz de tubos en su interior. Cada extremo de cada tubo
está herméticamente unido a la camisa y se coloca un revestimiento
en el interior del haz de tubos y se une herméticamente a la
camisa.
Es un problema construir una estructura de pared
refrigerada que sea capaz de contener y acelerar el gas de escape
caliente y que sea capaz de hacer esto de un modo fiable durante un
gran número de ciclos de funcionamiento. Las soluciones actuales no
tienen una vida de servicio lo suficientemente larga requerida para
un gran número de ciclos de funcionamiento. Los sistemas actuales
generan grandes tensiones térmicas, incluyen grandes caídas de
presión o presentan dificultades cuando se hace necesaria la
reparación.
Un objeto de la presente invención es por lo
tanto proporcionar un elemento de motor de cohete con una carga de
calor reducida en la estructura de pared de soporte de la carga.
Esto se consigue por medio del elemento de
acuerdo con la invención, el cual está caracterizado porque un
material con una conductividad térmica más elevada que el de la
estructura de la pared de soporte de la carga ha sido aplicado a
dicha estructura de la pared y porque el material está dispuesto en
contacto con la pared de plancha de metal. El material
adicionalmente forma una superficie de contacto substancialmente
continua contra la pared de plancha de metal, desde la pared de un
canal de refrigeración hasta la pared de un canal de refrigeración
adyacente y el material rodea por lo menos parcialmente las paredes
de los canales de refrigeración.
Como resultado de la invención, se puede
fabricar un elemento de motor de cohete que presenta una alta
capacidad de presión, una larga vida cíclica así como una ventajosa
relación del área.
Formas de realización ventajosas de la invención
se pueden derivar de las reivindicaciones condicionales
subsiguientes.
La invención se describirá adicionalmente en lo
que sigue a continuación, de un modo no limitativo, con referencia a
los dibujos que se acompañan en los cuales:
La figura 1 es una vista en perspectiva
esquemática que muestra una boquilla de cohete que tiene una
estructura de pared de acuerdo con la invención.
La figura 2 es una vista en sección parcial a lo
largo de la línea A-A de la figura 1 que muestra una
sección de la estructura de pared, de acuerdo con una primera forma
de realización de la invención. Y
La figura 3 es una vista en sección parcial que
corresponde a aquella representada en la figura 2, que muestra los
canales de refrigeración en el extremo de la admisión de la boquilla
de acuerdo con una segunda forma de realización de la invención.
La figura 1 muestra una vista en perspectiva
esquemática y algo simplificada de una boquilla de salida 10 que ha
sido fabricada de acuerdo con la presente invención. La boquilla
está pensada para utilizarla en motores de cohete del tipo que
utilizan combustible líquido, por ejemplo hidrógeno líquido. El
funcionamiento de un motor de cohete de este tipo es conocido
anteriormente por sí mismo y por lo tanto no se describe en detalle
aquí. La boquilla 10 está refrigerada con la ayuda de un medio
refrigerante que también se utiliza preferiblemente como combustible
en el motor de cohete particular. La invención sin embargo no está
limitada a boquillas de salida ni a boquillas de salida de este
tipo, sino que también se puede utilizar para cámaras de combustión
de cohetes y en aquellos casos en los que el medio de refrigeración
sea descargado después de que haya sido utilizado para la
refrigeración.
La boquilla de salida está fabricada con una
forma exterior substancialmente en forma de campana. Por lo tanto,
la boquilla 10 forma un cuerpo de revolución provisto de un eje de
revolución y una sección transversal que varía en diámetro a lo
largo de dicho eje.
La pared de la boquilla es una estructura que
comprende una pluralidad de canales de refrigeración tubulares
mutuamente adyacentes 11 que se extienden substancialmente en
paralelo al eje longitudinal de la boquilla desde el extremo de
admisión 12 de la boquilla hasta su extremo de salida 13. El
exterior de la estructura incluye una pared de plancha de metal
continua 14. Los canales de refrigeración tubulares 11 están
curvados en la dirección longitudinal para conformar el contorno de
la boquilla y están axialmente orientados a lo largo de la pared de
la boquilla, en esta posición, están unidos a la pared de metal
mediante soldadura. Las soldaduras preferiblemente se realizan por
soldadura con láser desde le exterior. Este conjunto forma una
boquilla hermética a las fugas con todas las juntas en el lado frío
de la estructura de la pared.
Los canales de refrigeración 11 en la forma de
realización de acuerdo con las figuras 2 y 3 son tubos circulares 15
provistos de una sección transversal variable. Los tubos 15 pueden
ser sin costuras y tener una sección transversal menor en el extremo
de admisión 12 de la boquilla que en el extremo opuesto.
La figura 2 muestra una sección de la estructura
de la pared. El interior de la pared ha sido recubierto de un
material térmicamente conductor 17 para una transferencia de calor
incrementada desde la pared de chapa de metal 14 a los tubos 15.
Esto hace posible que cada tubo 15 refrigere una parte mayor de la
circunferencia y por lo tanto, el número disponible de canales de
refrigeración puede refrigerar un diámetro mayor. Al mismo tiempo,
el área de la sección transversal de los canales puede ser bastante
pequeña. De esta manera, la capacidad de presión de los canales de
refrigeración puede ser elevada. En el caso en el que el material
conductor, por ejemplo, cobre o plata, llene completamente la
cavidad, es posible alcanzar presiones muy elevadas y relaciones de
áreas elevadas. El material térmicamente conductor está dispuesto en
el interior de la estructura de la pared y entre dichos tubos de
refrigeración 15.
El proceso para aplicar el material conductor
puede incluir soldadura fuerte o sinterización por láser.
Introduciendo un material conductor en el espacio entre los canales
de refrigeración, es posible incrementar la separación de los
canales y alcanzar de ese modo grandes relaciones del área de la
boquilla sin incrementar demasiado la sección transversal de los
canales de refrigeración para mantener la capacidad de presión.
La figura 3 muestra una segunda forma de
realización de la invención en la que se utilizan perfiles en forma
de U 18 en lugar de los tubos circulares anteriormente descritos 15.
Los perfiles tienen una sección transversal variable y un grosor del
material variable. Los perfiles se fabrican mediante fleje
conformado a prensa. Normalmente, los perfiles se fabrican a partir
de acero inoxidable y superaleaciones a fin de proporcionar la
resistencia y la viabilidad de fabricación necesarias. La esperanza
de vida de esas piezas del elemento del cohete que están sometidas a
una elevada carga térmica, ya que estos materiales tienen una baja
capacidad de transmisión de calor. De acuerdo con la invención,
esto se evita mediante la utilización del material térmicamente
conductor 17 para reducir el área que la pared expone a la llama.
Además, la superficie del perfil del canal que está expuesta al
calor se incrementa, ya que el material térmicamente conductor
distribuye el calor a una gran parte del perfil del canal. Ambas
medidas, juntas o separadamente, reducen la entrada de calor por
unidad de área del perfil del canal. En la práctica, la entrada de
calor se reduce en aproximadamente 20-30% y esta
entrada se distribuye sobre un área de la superficie incrementada
(aproximadamente el 50%) de acuerdo con la configuración
representada.
El material térmicamente conductor está
dispuesto en el interior de la pared entre tubos de refrigeración
adyacentes 15 y, más específicamente, en una superficie de las
paredes de los canales de refrigeración encaradas al interior del
elemento 10. Adicionalmente, el material se aplica al exterior de la
estructura de la pared como una capa 19.
La variación en el grosor del perfil se adapta a
la longitud de la boquilla. La distribución de la superficie o del
grosor de los perfiles también se puede modificar para mejorar la
distribución de la refrigeración o de la tensión. El material
térmicamente conductor 17 es suficientemente grueso para cubrir
completamente los perfiles 18. También el exterior de la sección de
la pared ha sido recubierto con una capa 19 de material térmicamente
conductor, por ejemplo cobre.
Es posible construir las estructuras descritas
antes a partir de materiales comunes para tubos de boquillas de
motores para cohetes tales como acero inoxidable y aleaciones de
níquel. La extensión de la boquilla se puede construir menos
costosamente puesto que la carga de calor está limitada.
La superficie giratoriamente simétrica de la
estructura de la boquilla de acuerdo con la invención proporciona la
propia rigidez y, si es necesario, permite la unión de elementos
refuerzo de un modo fácil.
El procedimiento de fabricación del motor de
cohete de combustible se describe más adelante. Una pluralidad de
elementos alargados en forma de tubos de canales de refrigeración
15, o elementos de perfil 18, están dispuestos substancialmente en
paralelo y mutuamente adyacentes entre sí, que se extienden desde un
primer extremo 12 del elemento de motor de cohete hasta un segundo
extremo 13 del mismo. Cada uno de los elementos alargados está unido
a la pared de plancha de metal curvada en el interior de la misma
mediante soldadura, formando de ese modo dicha estructura de pared.
Dicha pared de plancha de metal forma una carcasa exterior del
elemento de motor de cohete.
Después de ello, un material 17 con una
conductividad térmica más elevada que el material de la estructura
de la pared 14, 15 se aplica a dicha estructura de pared 14, 15. El
material 17 se aplica entre los canales de refrigeración 11 y se
dispone en contacto con las paredes de dos canales de refrigeración
15 adyacentes formando una conexión entre ellos.
El material se puede aplicar de diferentes
modos. De acuerdo con un procedimiento preferido, el material en
forma de polvo es sinterizado mediante láser a dicha estructura de
pared. Preferiblemente, está provista una primera capa de polvo
entre dos elementos alargados adyacentes, capa la cual después de
eso es sometida a un rayo láser. Después, se proporciona una segunda
capa encima de la primera capa sinterizada por láser, segunda capa
la cual después de eso es sometida a un rayo láser. Este proceso se
repite un número adecuado de veces. El procedimiento de
sinterización por láser es especialmente preferido para la forma de
realización representada en la figura 3, en donde es posible
alcanzar zonas entre los elementos alargados en toda la plancha de
metal con el rayo láser.
También se pueden utilizar otros procesos de
fusión, como por ejemplo soldadura fuerte y fundición para la
aplicación del material a la estructura de la pared.
La invención no está limitada a las formas de
realización anteriormente descritas, sino que son posibles diversas
modificaciones dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.
Por ejemplo, la estructura mejorada de la pared fría también se
puede aplicar a motores de cohete de expansión externa tales como
motores lineales de aerofrenado.
Claims (18)
1. Elemento de motor de cohete de combustible
líquido (10) provisto de una estructura de pared de soporte de la
carga (14, 15) que comprende una pluralidad de canales de
refrigeración (11) en el que el exterior de la estructura de la
pared incluye una pared de chapa de metal curvada (14) y en la que
los canales de refrigeración (11) están longitudinalmente unidos,
substancialmente en paralelo al eje longitudinal de la boquilla, a
la pared de chapa de metal caracterizado porque un material
(17) con una conductividad térmica más elevada que la estructura de
la pared de soporte de la carga (14, 15) ha sido aplicado a dicha
estructura de la pared, porque el material (17) está dispuesto en
contacto con la pared de chapa de metal (14), porque el material
forma una superficie de contacto substancialmente continua contra la
pared de chapa de metal (14), desde la pared de un canal de
refrigeración hasta la pared de un canal de refrigeración adyacente
y porque el material (17) rodea por lo menos parcialmente las
paredes de los canales de refrigeración (11).
2. Elemento de acuerdo con la reivindicación 1
caracterizado porque el material (17) ha sido aplicado al
interior de la estructura de la pared (14, 15).
3. Elemento de acuerdo con la reivindicación 1
o 2 caracterizado porque el material (17) ha sido aplicado
entre los canales de refrigeración (11).
4. Elemento de acuerdo con la reivindicación 3
caracterizado porque el material (17) está dispuesto en
contacto con las paredes de dos canales de refrigeración adyacentes
(15) formando una conexión entre ellos.
5. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el
material (17) está dispuesto sobre una superficie de las paredes del
canal de refrigeración encarada al interior del elemento (10).
6. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-5 caracterizado porque el
material (17) está también colocado en el exterior de la estructura
de la pared (14, 15) como una capa (19).
7. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-6 caracterizado porque el
material (17) comprende cobre.
8. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-7 caracterizado porque el
material (17) comprende plata.
9. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-8 caracterizado porque el
material (17) ha sido aplicado mediante soldadura fuerte.
10. Elemento de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-8 caracterizado porque el
material (17) ha sido aplicado mediante sinterización por láser.
11. Procedimiento para la fabricación de un
elemento de motor de cohete de combustible líquido (10)
caracterizado por los pasos de:
la disposición de una pluralidad de canales de
refrigeración (15) adyacentes entre sí para formar por lo menos
parcialmente una estructura de la pared del elemento, en el que los
canales de refrigeración (11) están longitudinalmente unidos a una
pared de chapa de metal curvada (14) en el exterior de la misma,
formando de ese modo dicha estructura de la pared y
la aplicación de un material (17), con una
conductividad térmica más elevada que la del material de la
estructura de la pared (14, 15), a dicha estructura de la pared de
forma que el material (17) se aplica entre los canales de
refrigeración (11), porque el material (17) está dispuesto en
contacto con las paredes de dos canales de refrigeración adyacentes
(15) formando una conexión entre ellos y porque el material (17)
rodea por lo menos parcialmente las paredes de los canales de
refrigeración (11).
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11 caracterizado porque el material (17) se
aplica al interior de la estructura de la pared (14, 15).
13. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11 o 12 caracterizado porque el material (17)
está dispuesto sobre una superficie de las paredes del canal de
refrigeración encarada al interior del elemento (10).
14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11-13 caracterizado
porque el material (17) está también colocado en el exterior de la
estructura de la pared (14, 15) como una capa (19).
15. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11-14 caracterizado
porque el material (17) es aplicado mediante un proceso de
fusión.
16. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 15 caracterizado porque el material (17) se
aplica mediante soldadura fuerte.
17. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 15 caracterizado porque el material (17) se
aplica mediante fundición.
18. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 15 caracterizado porque el material (17) se
aplica mediante sinterización por láser.
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