CEA-Based Performance and Off-Design Assessment of LOX/Biofuel Rocket Propellant Candidates

Resumen Técnico: Evaluación del Rendimiento y Fuera de Diseño Basada en CEA de Candidatos a Propulsores de Cohetes de LOX/Biocombustible

Planteamiento del Problema
El estudio aborda la necesidad de un cribado estandarizado y de etapa temprana para propulsores de cohetes líquidos, comparando específicamente combustibles de hidrocarburos tradicionales frente a candidatos a biocombustibles oxigenados. Aunque el RP-1 sigue siendo el referente práctico para motores de LOX/hidrocarburo debido a su establecido historial de ingeniería y alta densidad energética, existe interés en los combustibles oxigenados (como el dimetil éter, el etanol y el metanol) para sistemas de propulsión más limpios, pequeños o de tipo demostrador. Una brecha crítica en la literatura existente es la falta de marcos comparativos que evalúen tanto el rendimiento ideal máximo como la tolerancia a la relación de mezcla (comportamiento fuera de diseño) bajo un conjunto consistente de supuestos termodinámicos. Muchos estudios previos se centran en valores máximos o diseños de motores específicos, lo que dificulta las comparaciones directas entre combustibles. Este artículo pretende llenar ese vacío mediante el cribado de seis combustibles compatibles con LOX para identificar qué candidatos justifican un análisis de mayor fidelidad (CFD, experimental o de nivel de sistema).

Metodología
La investigación utiliza el código NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) en modo de cohete en equilibrio. Para garantizar una comparación justa, todos los seis candidatos a combustible —RP-1, dimetil éter (DME), etanol, metanol, ácido acético y ácido fórmico— fueron evaluados bajo un conjunto fijo de condiciones termoquímicas ideales:

• Presión de cámara: 20 bar
• Relación de expansión de la tobera: 40
• Temperatura del combustible: 298 K
• Temperatura del oxidante (LOX): 90 K
• Barrido de relación O/F: 0.5 a 8.0

El estudio extrajo métricas clave de rendimiento, incluyendo el impulso específico de vacío ($I_{sp,vac}$), la temperatura de la cámara ($T_c$), la velocidad característica ($c^*$), el coeficiente de empuje ($C_f$), la relación de calores específicos ($\gamma$) y el peso molecular del escape ($MW$).

Para evaluar la robustez, los autores introdujeron un índice de degradación fuera de diseño ($\Delta I_{sp}$), calculado como la pérdida relativa en el impulso específico cuando la relación de mezcla se desvía de su punto óptimo. Se utilizaron los valores medios, del percentil 95 y máximos de este índice para resumir la degradación del rendimiento a través del barrido. El análisis excluyó explícitamente las pérdidas del mundo real, tales como caídas de presión del inyector, química de velocidad finita, transferencia de calor, requisitos de enfriamiento y masa del sistema de alimentación.

Resultos Clave

1. Clasificación de Rendimiento: El RP-1 logró el mayor impulso específico de vacío muestreado de 336.24 s en una relación O/F óptima de 2.5. El DME fue el competidor más cercano, alcanzando 334.61 s en O/F = 1.5, una diferencia de solo 1.63 s. El etanol le siguió con 327.31 s (O/F = 1.5), mientras que el metanol, el ácido acético y el ácido fórmico mostraron un rendimiento progresivamente menor.
2. Impulsores Termodinámicos: La clasificación no fue determinada únicamente por la temperatura de la cámara. Aunque el RP-1 tuvo la $T_c$ más alta (3477.44 K), el rendimiento del DME se mantuvo competitivo a pesar de una $T_c$ inferior (3322.90 K) porque produjo los productos de escape en equilibrio más ligeros ($MW$ = 21.706) entre los principales candidatos. El RP-1 tuvo un peso molecular ligeramente superior (22.764).
3. Relaciones de Mezcla Óptimas: Los combustibles oxigenados alcanzaron sus picos en relaciones O/F más bajas (1.5 para DME, etanol y metanol) en comparación con el RP-1 (2.5), lo cual es consistente con el contenido de oxígeno interno de las moléculas de combustible.
4. Comportamiento Fuera de Diseño: El RP-1 demostró la menor degradación a través del barrido de O/F, confirmando su robustez. Entre los candidatos renovables, el etanol exhibió una degradación media fuera de diseño ligeramente mejor que el DME, a pesar de que el DME tiene un $I_{sp}$ pico más alto. El metanol tuvo un desempeño deficiente tanto en valor pico como en tolerancia. Los combustibles ácidos (acético y fórmico) se consideraron no competitivos debido a su baja liberación de calor y productos de escape pesados.
5. Referencia: La comparación con datos de tipo CEA publicados (Burkhardt et al.) mostró una tendencia de rendimiento consistente (RP-1 > DME > Etanol > Metanol), aunque los valores absolutos en este estudio fueron aproximadamente un 4.3–5.0% menores, atribuidos a diferencias en las presiones y los supuestos del estado de entrada.

Significación y Reivindicaciones
El artículo se posiciona estrictamente como una herramienta de cribado de etapa temprana en lugar de un estudio final de selección de propelentes. Su principal significación radica en proporcionar un conjunto de datos unificado que evalúa simultáneamente tanto el rendimiento ideal máximo como la tolerancia a la relación de mezcla.

• Para Aplicaciones de Alto Rendimiento: Los resultados refuerzan al RP-1 como el referente difícil de reemplazar cuando se requieren tanto el rendimiento máximo como la tolerancia operativa.
• Para el DME: Se identifica como el candidato oxigenado más fuerte para aplicaciones que priorizan el rendimiento ideal máximo, ya que se aproxima estrechamente al impulso específico del RP-1.
• Para el Etanol: El estudio destaca al etanol como un candidato equilibrado. Aunque su $I_{sp}$ pico es inferior al del DME, su superior degradación media fuera de diseño sugiere que puede ser una opción más robusta para motores pequeños o demostradores donde se valora la tolerancia a la relación de mezcla por encima del rendimiento absoluto máximo.

Limitaciones y Alcance
Los autores declaran explícitamente que estos resultados son cálculos de equilibrio ideales. El estudio no tiene en cuenta las pérdidas del inyector, la atomización, la evaporación, los transitorios de ignición, la inestabilidad de la combustión, la transferencia de calor a la pared, el enfriamiento regenerativo, el impulso de densidad, el dimensionamiento de tanques, la toxicidad o la compatibilidad de materiales. Por consiguiente, los hallazgos están destinados a guiar la selección de candidatos para un posterior CFD de mayor fidelidad, pruebas de combustión real y diseño a nivel de sistema, en lugar de dictar directamente la selección de propelentes de vuelo. El artículo concluye que el trabajo futuro debería incorporar la cuantificación de la incertidumbre y condiciones operativas variables para refinar estos resultados de cribado.