Modelado Paramétrico de Turbobombas y Evaluación de Fiabilidad para Aplicaciones de Motores de Cohete Reutilizables
Autores: Gulczynski, Mateusz T.; Hahn, Robson H. S.; Deeken, Jan C.; Oschwald, Michael
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Modelado Paramétrico de Turbobombas y Evaluación de Fiabilidad para Aplicaciones de Motores de Cohete Reutilizables
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Lanzadores reutilizables
Algoritmos de control
Operación del motor
Fiabilidad
Fallo de componentes
Componentes de turbobomba
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 26
Citaciones: Sin citaciones
El desarrollo de lanzadores reutilizables modernos, como el proyecto Themis con su motor Prometheus LOX/LCH4, CALLISTO, un demostrador de primera etapa de lanzador VTVL reutilizable con un motor RSR2 LOX/LH2, y el Falcon 9 de SpaceX con su motor Merlin 1D, subraya la necesidad de algoritmos de control avanzados para garantizar un funcionamiento fiable del motor. La capacidad de reinicio múltiple de estos motores impone requisitos adicionales para el control de la potencia, lo que requiere un dominio de validez del controlador ampliado para lograr de manera segura niveles de empuje bajos en varios regímenes de operación. Esta capacidad también aumenta el riesgo de fallo de componentes, especialmente a medida que los parámetros del motor evolucionan con los perfiles de misión. Para abordar esto, nuestro estudio evalúa la fiabilidad dinámica de los motores de cohetes reutilizables (RRE) y sus subcomponentes bajo diferentes modos de fallo utilizando modelado y simulación a nivel de sistema multi-físico, con un enfoque particular en los componentes de la turbobomba. El modelado de condiciones transitorias y el análisis de rendimiento, realizados utilizando el software EcosimPro-ESPSS (versión 6.4.34), revelaron que los componentes de la turbobomba mantienen una alta fiabilidad en condiciones nominales, con las palas de la turbina demostrando una vida útil significativa incluso bajo cargas térmicas y mecánicas variables. Además, el modelo predictivo propuesto estima la vida útil restante de componentes críticos, ofreciendo valiosos conocimientos para mejorar la longevidad y fiabilidad de las turbobombas en motores de cohetes reutilizables. Este estudio emplea simulaciones estructurales deterministas y dependientes de la temperatura, con objetivos de control clave que incluyen el seguimiento del estado final de la presión de la cámara de combustión y las relaciones de mezcla, así como la verificación de las restricciones operativas, ejemplificadas por el motor demostrador LUMEN y la clase de motores LE-5B-2.
Descripción
El desarrollo de lanzadores reutilizables modernos, como el proyecto Themis con su motor Prometheus LOX/LCH4, CALLISTO, un demostrador de primera etapa de lanzador VTVL reutilizable con un motor RSR2 LOX/LH2, y el Falcon 9 de SpaceX con su motor Merlin 1D, subraya la necesidad de algoritmos de control avanzados para garantizar un funcionamiento fiable del motor. La capacidad de reinicio múltiple de estos motores impone requisitos adicionales para el control de la potencia, lo que requiere un dominio de validez del controlador ampliado para lograr de manera segura niveles de empuje bajos en varios regímenes de operación. Esta capacidad también aumenta el riesgo de fallo de componentes, especialmente a medida que los parámetros del motor evolucionan con los perfiles de misión. Para abordar esto, nuestro estudio evalúa la fiabilidad dinámica de los motores de cohetes reutilizables (RRE) y sus subcomponentes bajo diferentes modos de fallo utilizando modelado y simulación a nivel de sistema multi-físico, con un enfoque particular en los componentes de la turbobomba. El modelado de condiciones transitorias y el análisis de rendimiento, realizados utilizando el software EcosimPro-ESPSS (versión 6.4.34), revelaron que los componentes de la turbobomba mantienen una alta fiabilidad en condiciones nominales, con las palas de la turbina demostrando una vida útil significativa incluso bajo cargas térmicas y mecánicas variables. Además, el modelo predictivo propuesto estima la vida útil restante de componentes críticos, ofreciendo valiosos conocimientos para mejorar la longevidad y fiabilidad de las turbobombas en motores de cohetes reutilizables. Este estudio emplea simulaciones estructurales deterministas y dependientes de la temperatura, con objetivos de control clave que incluyen el seguimiento del estado final de la presión de la cámara de combustión y las relaciones de mezcla, así como la verificación de las restricciones operativas, ejemplificadas por el motor demostrador LUMEN y la clase de motores LE-5B-2.