Fuel-Bound Oxygen Penalty and System-Level Screening of Oxygenated Fuels for LOX Rocket Propulsion: A NASA CEA Thermochemical Assessment

Resumen Técnico: Penalización por Oxígeno Ligado al Combustible y Cribado a Nivel de Sistema de Combustibles Oxigenados para Propulsión de LOX

Planteamiento del Problema
La selección de combustibles para cohetes líquidos implica un complejo compromiso entre el rendimiento termoquímico ideal, la densidad del propelente, los requisitos del oxidante y las restricciones operativas. Si bien el RP-1 (un combustible de referencia de hidrocarburos) sigue siendo el estándar para la propulsión compatible con LOX debido a su alta densidad energética y herencia de ingeniería, los combustibles oxigenados (éteres, alcoholes, ácidos orgánicos) ofrecen beneficios potenciales, como la reducción de la formación de hollín. Sin embargo, la presencia de "oxígeno ligado al combustible" introduce un compromiso fundamental: si bien puede reducir la relación de masa de oxidante-combustible (O/F) externa requerida, ocupa una masa molecular que de otro modo podría contribuir al valor calorífico mediante enlaces carbono-hidrógeno. Las comparaciones preliminares suelen basarse únicamente en el impulso específico ($I_{sp}$) ideal, lo cual puede ser engañoso para los combustibles oxigenados porque no tiene en cuenta los cambios en el volumen total del propelente, los requisitos de masa de oxidante y las cargas de manipulación práctica. Existe la necesidad de un marco de cribado reproducible y de etapa temprana que evalúe los efectos del oxígeno ligado al combustible bajo condiciones ideales idénticas, integrando métricas a nivel de sistema como el impulso de densidad y el volumen del propelente.

Metodología
Este estudio emplea el código NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) para realizar un cribado termoquímico teórico de seis combustibles: RP-1 (referencia), Dimetil Éter (DME), Etanol, Metanol, Ácido Acético y Ácido Fórmico. El análisis se lleva a cabo bajo condiciones ideales sin validación experimental, CFD o diseño de componentes de motor.

• Parámetros de Simulación: Los cálculos se realizaron en modo cohete con Oxígeno Líquido (LOX) a 90 K y combustibles a 298 K. La condición base utilizó una presión de cámara ($P_c$) de 20 bar y una relación de expansión de boquilla ($A_e/A_t$) de 40.
• Análisis de Sensibilidad: El estudio incluyó barridos de la relación O/F (0.5 a 8.0), presión de cámara (10 a 60 bar) y relación de expansión de boquilla (10 a 120). Se compararon los modelos de química de equilibrio y de flujo congelado (frozen-flow).
• Índices de Cribado: Para ir más allá del simple $I_{sp}$, los autores calcularon varios índices escalares:
  • Índice de Retención de Rendimiento (PRI): Relación entre el mejor $I_{sp}$ de un combustible y el del RP-1.
  • Índice de Severidad Térmica (TSI): Comparación de las temperaturas de la cámara con respecto al RP-1.
  • Factor de Penalización por Oxigenación (OPF): Penalización de rendimiento por unidad de oxígeno ligado al combustible.
  • Impulso de Densidad ($I_\rho$): Calculado como densidad del combustible $\times$ $I_{sp}$.
  • Volumen Total de Propelente: Una métrica simplificada que estima el volumen combinado de 1 kg de combustible y su LOX requerido, basado en densidades líquidas estándar.

Resultados Clave
Bajo condiciones base ($P_c$ = 20 bar, $A_e/A_t$ = 40), los combustibles fueron clasificados por velocidad de escape equivalente ideal:

1. RP-1: 3297.4 m/s (336.2 s). El referente de mayor rendimiento.
2. Dimetil Éter (DME): 3290.5 m/s (335.5 s). Retiene el 99.8% del rendimiento ideal del RP-1.
3. Etanol: 3234.3 m/s (329.8 s). Retiene el 98.1% del rendimiento ideal del RP-1.
4. Metanol: 3158.6 m/s (322.1 s). Retiene el 95.8% del rendimiento ideal del RP-1.
5. Ácido Acético: 2851.4 m/s (290.8 s). Retiene el 86.5%.
6. Ácido Fórmico: 2329.4 m/s (237.5 s). Retiene el 70.6%.

Hallazgos de Sensibilidad y de Nivel de Sistema:

• Presión y Expansión: El aumento de la presión de cámara (10–60 bar) produce ganancias de $I_{sp}$ modestas (aprox. 0.6–1.5%) y no altera la clasificación de los combustibles. El aumento de la relación de expansión de la boquilla (10–120) proporciona mayores ganancias para todos los combustibles, pero no logra eliminar la penalización de rendimiento asociada con el exceso de oxígeno ligado al combustible.
• Química: El flujo de equilibrio produce un mayor rendimiento que el flujo congelado para todos los combustibles. El RP-1 y el DME retienen una cantidad significativa de CO en el escape, mientras que los combustibles altamente oxigenados (metanol, ácidos) se desplazan hacia productos más oxidados (CO$_2$, H$_2$O) y, en el caso del ácido fórmico, O$_2$ residual.
• Densidad y Volumen: Aunque el DME iguala al RP-1 en rendimiento ideal, su menor densidad líquida (668 kg/m³ frente a 810 kg/m³) reduce su impulso de densidad normalizado a 0.823 relativo al RP-1. Por el contrario, los ácidos acético y fórmico tienen densidades altas, lo que resulta en menores volúmenes de propelente total, pero su severa penalización de rendimiento y naturaleza corrosiva superan este beneficio.
• Practicidad: El etanol emerge como el candidato de penalización moderada más práctico, equilibrando una alta retención de rendimiento (98.1%) con características de almacenamiento y manipulación manejables en comparación con la volatilidad del DME o la toxicidad del metanol.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores declaran explícitamente que este trabajo no pretende el descubrimiento de un nuevo propelente, ni proporciona validación experimental o un diseño completo de motor. En su lugar, la significancia reside en proporcionar un marco de cribado transparente y reproducible de etapa temprana.

El estudio demuestra que el rendimiento ideal por sí solo es insuficiente para la selección de combustibles. Una evaluación exhaustiva debe considerar simultáneamente:

1. La fracción de oxígeno ligado al combustible y su impacto en los límites termoquímicos.
2. Los requisitos de oxidante y el volumen total del propelente.
3. El impulso de densidad y el estado de almacenamiento.
4. Restricciones cualitativas de manipulación (toxicidad, corrosión, volatilidad).

El artículo concluye que, si bien el DME es termoquímicamente excelente, sus desafíos operativos lo hacen menos atractivo que el Etanol, el cual ofrece el mejor compromiso entre la retención de rendimiento y la manipulación práctica en este conjunto específico de combustibles. Los ácidos orgánicos altamente oxigenados sirven como casos límite útiles para ilustrar los límites del oxígeno ligado al combustible, pero se consideran inadecuados como combustibles de alto rendimiento primarios bajo los supuestos presentados.