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

Sintesi Tecnica: Penalità dell'Ossigeno Legato al Combustibile e Screening a Livello di Sistema di Carburanti Ossigenati per la Propulsione a LOX

Definizione del Problema
La selezione dei carburanti per razzi liquidi comporta un complesso compromesso tra prestazioni termochimiche ideali, densità del propellente, requisiti dell'ossidante e vincoli operativi. Sebbene l'RP-1 (un riferimento idrocarburico) rimanga lo standard per la propulsione compatibile con LOX grazie alla sua elevata densità energetica e al retaggio ingegneristico, i carburanti ossigenati (eteri, alcoli, acidi organici) offrono potenziali vantaggi come la riduzione della formazione di fuliggine. Tuttavia, la presenza di "ossigeno legato al combustibile" introduce un compromesso fondamentale: sebbene possa ridurre il rapporto di massa ossidante/combustibile (O/F) esterno richiesto, esso occupa una massa molecolare che potrebbe altrimenti contribuire al potere calorifico tramite legami carbonio-idrogeno. I confronti preliminari si basano spesso solo sull'impulso specifico ideale ($I_{sp}$), il che può essere fuorviante per i carburanti ossigenati poiché non tiene conto delle variazioni nel volume totale del propellente, nei requisiti di massa dell'ossidante e negli oneri pratici di gestione. È necessario un quadro di screening riproducibile e nelle prime fasi che valuti gli effetti dell'ossigeno legato al combustibile sotto identiche ipotesi ideali, integrando al contempo metriche a livello di sistema come l'impulso di densità e il volume del propellente.

Metodologia
Questo studio impiega il codice NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) per eseguire uno screening termochimico teorico di sei carburanti: RP-1 (riferimento), Dimetiletere (DME), Etanolo, Metanolo, Acido Acetico e Acido Formico. L'analisi è condotta in condizioni ideali senza validazione sperimentale, CFD o progettazione di componenti del motore.

• Parametri di Simulazione: I calcoli sono stati eseguiti in modalità razzo con ossigeno liquido (LOX) a 90 K e carburanti a 298 K. La condizione di base utilizzata prevedeva una pressione in camera ($P_c$) di 20 bar e un rapporto di espansione dell'ugello ($A_e/A_t$) di 40.
• Analisi di Sensibilità: Lo studio ha incluso scansioni del rapporto O/F (da 0,5 a 8,0), della pressione in camera (da 10 a 60 bar) e del rapporto di espansione dell'ugello (da 10 a 120). Sono stati confrontati i modelli di chimica in equilibrio e a flusso congelato (frozen-flow).
• Indici di Screening: Per andare oltre il semplice $I_{sp}$, gli autori hanno calcolato diversi indici scalari:
  • Indice di Ritenzione delle Prestazioni (PRI): Rapporto tra il miglior $I_{sp}$ di un carburante e quello dell'RP-1.
  • Indice di Severità Termica (TSI): Confronto delle temperature in camera rispetto all'RP-1.
  • Fattore di Penalità dell'Ossigenazione (OPF): Penalità di prestazione per unità di ossigeno legato al combustibile.
  • Impulso di Densità ($I_\rho$): Calcolato come densità del combustibile $\times$ $I_{sp}$.
  • Volume Totale del Propellente: Una metrica semplificata che stima il volume combinato di 1 kg di combustibile e del relativo LOX richiesto, basata sulle densità standard dei liquidi.

Risultati Chiave
In condizioni di base ($P_c$ = 20 bar, $A_e/A_t$ = 40), i carburanti sono stati classificati per velocità di scarico equivalente ideale:

1. RP-1: 3297,4 m/s (336,2 s). Il riferimento con le prestazioni più elevate.
2. Dimetiletere (DME): 3290,5 m/s (335,5 s). Mantiene il 99,8% delle prestazioni ideali dell'RP-1.
3. Etanolo: 3234,3 m/s (329,8 s). Mantiene il 98,1% delle prestazioni ideali dell'RP-1.
4. Metanolo: 3158,6 m/s (322,1 s). Mantiene il 95,8% delle prestazioni ideali dell'RP-1.
5. Acido Acetico: 2851,4 m/s (290,8 s). Mantiene l'86,5%.
6. Acido Formico: 2329,4 m/s (237,5 s). Mantiene il 70,6%.

Risultati di Sensibilità e di Sistema:

• Pressione ed Espansione: L'aumento della pressione in camera (10–60 bar) produce solo modesti guadagni di $I_{sp}$ (circa 0,6–1,5%) e non altera la classifica dei carburanti. L'aumento del rapporto di espansione dell'ugello (10–120) fornisce guadagni maggiori per tutti i carburanti, ma non riesce a eliminare la penalità di prestazione associata all'eccessivo ossigeno legato al combustibile.
• Chimica: Il flusso in equilibrio produce prestazioni superiori rispetto al flusso congelato per tutti i carburanti. RP-1 e DME mantengono una quantità significativa di CO nello scarico, mentre i carburanti altamente ossigenati (metanolo, acidi) tendono verso prodotti più ossidati (CO$_2$, H$_2$O) e, nel caso dell'acido formico, O$_2$ residuo.
• Densità e Volume: Sebbene il DME eguagli l'RP-1 nelle prestazioni ideali, la sua minore densità liquida (668 kg/m³ rispetto a 810 kg/m³) riduce il suo impulso di densità normalizzato a 0,823 rispetto all'RP-1. Al contrario, l'acido acetico e l'acido formico hanno densità elevate, che risultano in volumi di propellente totali inferiori, ma la loro severa penalità di prestazione e la natura corrosiva superano questo vantaggio.
• Praticità: L'etanolo emerge come il candidato più pratico con penalità moderata, bilanciando un'elevata ritenzione delle prestazioni (98,1%) con caratteristiche di stoccaggio e gestione più gestibili rispetto alla volatilità del DME o alla tossicità del metanolo.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori dichiarano esplicitamente che questo lavoro non rivendica la scoperta di un nuovo propellente, né fornisce validazione sperimentale o una progettazione completa del motore. La significatività risiede invece nel fornire un quadro di screening iniziale trasparente e riproducibile.

Lo studio dimostra che le sole prestazioni ideali sono insufficienti per la selezione del carburante. Una valutazione completa deve considerare simultaneamente:

1. La frazione di ossigeno legato al combustibile e il suo impatto sui limiti termochimici.
2. I requisiti dell'ossidante e il volume totale del propellente.
3. L'impulso di densità e lo stato di stoccaggio.
4. I vincoli qualitativi di gestione (tossicità, corrosione, volatilità).

Il documento conclude che, sebbene il DME sia termochimicamente eccellente, le sue sfide operative lo rendono meno attraente rispetto all'Etanolo, che offre il miglior compromesso tra ritenzione delle prestazioni e gestione pratica in questo specifico set di carburanti. Gli acidi organici altamente ossigenati servono come casi limite utili per illustrare i limiti dell'ossigeno legato al combustibile, ma sono considerati inadatti come primari carburanti ad alte prestazioni secondo le presenti assunzioni.