Propulsión por fusión termonuclear

Propulsión por Fusión Termonuclear

Juan F. Castillo

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INDICE -----------------------------------------------------------------

1. Introducción 2. Teoría del Viaje Interplanetario 3. Problema del Combustible 4. Problema del Encendido 5. Problema de la Construcción del Motor 6. El Difusor Magnético (Magnetic Noozle) 7. Colisiones y Transporte 8. Configuración Preliminar 9.Problema de las inestabilidades Apéndice A. El Experimento de fusión GDM Apéndice B. Obtención del Impulso Específico Apéndice C. Obtención de la “Ecuación del Cohete”

Pag.3 Pag.4 Pag.6 Pag.8 Pag.11 Pag.12 Pag.15 Pag.17 Pag.18 Pag.21 Pag.22 Pag.24

Apéndice D. Propuesta de Plan de Vuelo para una Misión Tripulada a Marte Pag.25 Apéndice E. Bibliografía y notas metodológicas.
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Juan F. Castillo

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Propulsión por Fusión Termonuclear
1. Introducción
El uso de la fusión termonuclear para propulsión tiene el potencial de abrir el sistema solar a la exploración espacial humana. Sólo la fusión nos provee de la alta eficiencia que necesitan las naves interplanetarias para prevenir losrequerimientos de combustible necesarios para no convertirse en pesados elefantes. Los cohetes químicos que usan hidrógeno y oxígeno líquido funcionan bien para operaciones en el entorno de la tierra, incluyendo la luna, sin embargo, son totalmente inadecuados para viajes interplanetarios. Esta ineficacia se debe al hecho de que no demasiada energía puede ser extraída por kilo de combustible, y es ésta lalimitación que pone las restricciones a la máxima eficiencia disponible. La eficiencia de un cohete se expresa en términos de una cantidad llamada impulso específico o Isp y se mide en segundos. Físicamente, el impulso específico es el número de segundos que un cohete puede producir un kilo de fuerza de propulsión (thrust) por kilo de combustible. Es análoga a los kilómetros por litro en losautomóviles. En general, el impulso específico crece con el aumento de la temperatura de salida del propelente. Basándose en análisis termodinámicos, (ver Apéndice A) con una eficiencia del 100% en el espacio (esto es, en el vacío), el impulso específico puede ser calculado usando la siguiente ecuación:

I sp =
donde Isp = Impulso específico (sec lbf/lbm)

1 2γ Ru Te g c γ − 1 M .W .

gc=factor de conversión (32.2 lbmft/lbf/sec2) M.W. = Peso Molecular del gas expulsado (Molecular Weight)

γ= Cociente de calores específicos del gas propelente (típicamente 1.4)

Ru= Constante universal de los gases (1545.4 Te= Temperatura del gas expulsado ft lbf/lb-mole/R) (R = F + 460) Como los cohetes químicos que usan oxígeno e hidrógeno líquido operan a unas temperaturas de expulsión dealrededor de 3600 K bajo condiciones estequiométricas considerando un peso molecular efectivo de aproximadamente 11, encontramos que el impulso específico de estos motores está limitado aproximadamente a 450 segundos.

Juan F. Castillo

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Los cohetes nucleares usando reactores de fusión para transferir calor al hidrógeno propelente funcionan algo mejor que los motores químicos llegandoa tener impulsos específicos de sobre 960 segundos. Esta ventaja, de todas maneras, se debe principalmente a las reducciones en el peso molecular efectivo del gas expulsado (2 en vez de 11) más que al incremento de la temperatura de expulsión. De hecho, se espera que los cohetes nucleares operen a menores temperaturas que los cohetes químicos (3000 K) debido a las limitaciones en materiales parael núcleo del reactor. La gran cantidad de energía potencialmente disponible mediante el proceso de fisión permanece en su mayoría sin explotar debido a las limitaciones de tamaño asociadas con la masa crítica mínima requerida para sostener la reacción en cadena de fisión y las dificultades de eficiencia en la extracción de calor a las ultra-altas temperaturas del reactor. Los cohetes de fusión...