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

Resumo Técnico: Penalidade de Oxigênio Ligado ao Combustível e Triagem em Nível de Sistema de Combustíveis Oxigenados para Propulsão de Foguetes LOX

Definição do Problema
A seleção de combustíveis para foguetes líquidos envolve um compromisso complexo entre o desempenho termoquímico ideal, densidade do propelente, requisitos de oxidante e restrições operacionais. Embora o RP-1 (um combustível de referência hidrocarbonada) permaneça o padrão para propulsão compatível com LOX devido à sua alta densidade energética e herança de engenharia, combustíveis oxigenados (éteres, álcoois, ácidos orgânicos) oferecem benefícios potenciais, como a redução da formação de fuligem. No entanto, a presença de "oxigênio ligado ao combustível" introduz um compromisso fundamental: embora possa reduzir a razão de massa de oxidante para combustível (O/F) externa necessária, o oxigênio ocupa a massa molecular que poderia, de outra forma, contribuir para o poder calorífico via ligações carbono-hidrogênio. Comparações preliminares dependem frequentemente apenas do impulso específico ideal ($I_{sp}$), o que pode ser enganoso para combustíveis oxigenados, pois falha em considerar mudanças no volume total do propelente, requisitos de massa de oxidante e encargos práticos de manuseio. Há uma necessidade de uma estrutura de triagem reprodutível e de estágio inicial que avalie os efeitos do oxigênio ligado ao combustível sob suposições ideais idênticas, integrando métricas de nível de sistema como impulso de densidade e volume de propelente.

Metodologia
Este estudo utiliza o código NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) para realizar uma triagem termoquímica teórica de seis combustíveis: RP-1 (referência), Dimetil Éter (DME), Etanol, Metanol, Ácido Acético e Ácido Fórmico. A análise é conduzida sob condições ideais sem validação experimental, CFD ou projeto de componentes de motor.

• Parâmetros de Simulação: Os cálculos foram realizados em modo de foguete com Oxigênio Líquido (LOX) a 90 K e combustíveis a 298 K. A condição de linha de base utilizou uma pressão de câmara ($P_c$) de 20 bar e uma razão de expansão de bocal ($A_e/A_t$) de 40.
• Análise de Sensibilidade: O estudo incluiu varreduras da razão O/F (0,5 a 8,0), pressão de câmara (10 a 60 bar) e razão de expansão de bocal (10 a 120). Modelos de química de equilíbrio e de fluxo congelado (frozen-flow) foram comparados.
• Índices de Triagem: Para ir além do simples $I_{sp}$, os autores calcularam vários índices escalares:
  • Índice de Retenção de Desempenho (PRI): Razão entre o melhor $I_{sp}$ de um combustível e o do RP-1.
  • Índice de Severidade Térmica (TSI): Comparação das temperaturas de câmara em relação ao RP-1.
  • Fator de Penalidade de Oxigenação (OPF): Penalidade de desempenho por unidade de oxigênio ligado ao combustível.
  • Impulso de Densidade ($I_\rho$): Calculado como densidade do combustível $\times$ $I_{sp}$.
  • Volume Total de Propelente: Uma métrica simplificada estimando o volume combinado de 1 kg de combustível e seu LOX requerido, com base em densidades líquidas padrão.

Principais Resultados
Sob condições de linha de base ($P_c$ = 20 bar, $A_e/A_t$ = 40), os combustíveis foram classificados pelo velocidade de exaustão equivalente ideal:

1. RP-1: 3297,4 m/s (336,2 s). O de maior desempenho de referência.
2. Dimetil Éter (DME): 3290,5 m/s (335,5 s). Retém 99,8% do desempenho ideal do RP-1.
3. Etanol: 3234,3 m/s (329,8 s). Retém 98,1% do desempenho ideal do RP-1.
4. Metanol: 3158,6 m/s (322,1 s). Retém 95,8% do desempenho ideal do RP-1.
5. Ácido Acético: 2851,4 m/s (290,8 s). Retém 86,5%.
6. Ácido Fórmico: 2329,4 m/s (237,5 s). Retém 70,6%.

Descobertas de Sensibilidade e de Nível de Sistema:

• Pressão e Expansão: O aumento da pressão da câmara (10–60 bar) produz ganhos modestos de $I_{sp}$ (aprox. 0,6–1,5%) e não altera a classificação dos combustíveis. O aumento da razão de expansão do bocal (10–120) proporciona maiores ganhos para todos os combustíveis, mas falha em eliminar a penalidade de desempenho associada ao excesso de oxigênio ligado ao combustível.
• Química: O fluxo de equilíbrio produz maior desempenho do que o fluxo congelado para todos os combustíveis. O RP-1 e o DME retêm quantidades significativas de CO no exaustor, enquanto combustíveis altamente oxigenados (metanol, ácidos) deslocam-se para produtos mais oxidados (CO$_2$, H$_2$O) e, no caso do ácido fórmico, O$_2$ residual.
• Densidade e Volume: Embora o DME iguale o RP-1 em desempenho ideal, sua menor densidade líquida (668 kg/m³ vs. 810 kg/m³) reduz seu impulso de densidade normalizado para 0,823 em relação ao RP-1. Por outro lado, os ácidos acético e fórmico possuem altas densidades, resultando em menores volumes totais de propelente, mas suas severas penalidades de desempenho e natureza corrosiva superam este benefício.
• Praticidade: O etanol emerge como o candidato de penalidade moderada mais prático, equilibrando alta retenção de desempenho (98,1%) com características de armazenamento e manuseio gerenciáveis em comparação com a volatilidade do DME ou a toxicidade do metanol.

Significância e Alegações
Os autores declaram explicitamente que este trabalho não pretende reivindicar a descoberta de um novo propelente, nem fornece validação experimental ou otimização completa de nível de motor. Em vez disso, a significância reside em fornecer uma estrutura de triagem de estágio inicial transparente e reprodutível.

O estudo demonstra que o desempenho ideal sozinho é insuficiente para a seleção de combustíveis. Uma avaliação abrangente deve considerar simultaneamente:

1. A fração de oxigênio ligado ao combustível e seu impacto nos limites termoquímicos.
2. Requisitos de oxidante e volume total de propelente.
3. Impulso de densidade e estado de armazenamento.
4. Restrições qualitativas de manuseio (toxicidade, corrosão, volatilidade).

O artigo conclui que, embora o DME seja termoquimicamente excelente, seus desafios operacionais o tornam menos atraente do que o Etanol, que oferece o melhor compromisso entre retenção de desempenho e manuseio prático neste conjunto específico de combustíveis. Os ácidos orgânicos altamente oxigenados servem como casos de limite úteis para ilustrar os limites do oxigênio ligado ao combustível, mas são considerados inadequados como combustíveis de alto desempenho primários sob as premissas apresentadas.