Scramjet - Scramjet

Operación Scramjet es.svg

Un scramjet ( estatorreactor de combustión supersónica ) es una variante de un motor a reacción estatorreactor con aire en el que la combustión tiene lugar en un flujo de aire supersónico . Como en estatorreactores, un scramjet se basa en alta velocidad del vehículo para comprimir el aire entrante enérgicamente antes de la combustión (de ahí ram jet), pero mientras que un estatorreactor desacelera el aire para subsónicos velocidades antes de la combustión usando conos de choque, un scramjet no tiene cono de choque y retarda el flujo de aire usando ondas de choque producidas por su fuente de ignición en lugar de un cono de choque. Esto permite que el scramjet funcione de manera eficiente a velocidades extremadamente altas.

Historia

Antes de 2000

El Bell X-1 logró un vuelo supersónico en 1947 y, a principios de la década de 1960, el rápido progreso hacia aviones más rápidos sugirió que los aviones operativos volarían a velocidades "hipersónicas" en unos pocos años. A excepción de los vehículos de investigación de cohetes especializados como el X-15 de América del Norte y otras naves espaciales propulsadas por cohetes , las velocidades máximas de los aviones se han mantenido niveladas, generalmente en el rango de Mach  1 a Mach  3.

Durante el programa de aviones aeroespaciales de EE. UU., Entre las décadas de 1950 y 1960, Alexander Kartveli y Antonio Ferri fueron defensores del enfoque scramjet.

En las décadas de 1950 y 1960, se construyeron y probaron en tierra una variedad de motores scramjet experimentales en los EE. UU. Y el Reino Unido. Antonio Ferri demostró con éxito un scramjet que producía un empuje neto en noviembre de 1964, y finalmente produjo 517 libras-fuerza (2,30 kN), aproximadamente el 80% de su objetivo. En 1958, un artículo analítico discutió los méritos y desventajas de los estatorreactores de combustión supersónicos. En 1964, los Dres. Frederick S. Billig y Gordon L. Dugger presentaron una solicitud de patente para un estatorreactor supersónico de combustión basada en la tesis doctoral de Billig. Esta patente se emitió en 1981 tras la eliminación de una orden de secreto.

En 1981, las pruebas se realizaron en Australia bajo la dirección del profesor Ray Stalker en la instalación de pruebas terrestres T3 en ANU.

La primera prueba de vuelo exitosa de un scramjet se realizó como un esfuerzo conjunto con la NASA, sobre la Unión Soviética en 1991. Era un scramjet de modo dual impulsado por hidrógeno y simétrico desarrollado por el Instituto Central de Motores de Aviación (CIAM), Moscú a finales de 1970, pero modernizado con una aleación de FeCrAl en un misil SM-6 convertido para lograr parámetros de vuelo iniciales de Mach 6,8, antes de que el scramjet volara a Mach 5,5. El vuelo scramjet se realizó en cautiverio sobre el misil tierra-aire SA-5 que incluía una unidad de apoyo de vuelo experimental conocida como "Laboratorio de vuelo hipersónico" (HFL), "Kholod".

Luego, de 1992 a 1998, el CIAM junto con Francia y luego con la NASA llevaron a cabo 6 pruebas de vuelo adicionales del demostrador scramjet de alta velocidad axisimétrico .  Se logró una velocidad máxima de vuelo superior a Mach 6,4 y se demostró la operación scramjet durante 77 segundos. Esta serie de pruebas de vuelo también proporcionó información sobre los controles de vuelo hipersónicos autónomos.

Progreso en la década de 2000

Concepción del artista del jet negro sin alas con perfil de nariz puntiaguda y dos estabilizadores verticales que viajan alto en la atmósfera.
Concepción artística del NASA X-43 con scramjet adjunto a la parte inferior

En la década de 2000, se logró un progreso significativo en el desarrollo de tecnología hipersónica, particularmente en el campo de los motores scramjet.

El proyecto HyShot demostró la combustión scramjet el 30 de julio de 2002. El motor scramjet funcionó eficazmente y demostró la combustión supersónica en acción. Sin embargo, el motor no fue diseñado para proporcionar empuje para propulsar una nave. Fue diseñado más o menos como un demostrador de tecnología.

Un equipo conjunto británico y australiano de la compañía de defensa británica Qinetiq y la Universidad de Queensland fue el primer grupo en demostrar un scramjet trabajando en una prueba atmosférica.

Hyper-X reclamó el primer vuelo de un vehículo propulsado por scramjet que produce empuje con superficies de maniobra totalmente aerodinámicas en 2004 con el X-43A . La última de las tres pruebas scramjet X-43A logró Mach  9,6 por un breve tiempo.

El 15 de junio de 2007, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. ( DARPA ), en cooperación con la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO), anunció un vuelo scramjet exitoso a Mach  10 utilizando motores de cohetes para impulsar el vehículo de prueba a velocidades hipersónicas.

Se completó una serie de pruebas terrestres scramjet en la instalación de pruebas Scramjet calentadas por arco (AHSTF) Langley de la NASA en condiciones de vuelo Mach  8 simuladas . Estos experimentos se utilizaron para apoyar el vuelo 2 de HIFiRE.

El 22 de mayo de 2009, Woomera acogió con éxito el primer vuelo de prueba de un avión hipersónico en HIFiRE (Experimentación de investigación de vuelo internacional hipersónica). El lanzamiento fue uno de los diez vuelos de prueba previstos. La serie de vuelos es parte de un programa de investigación conjunto entre la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, designado como HIFiRE. HIFiRE está investigando la tecnología hipersónica (el estudio del vuelo que excede cinco veces la velocidad del sonido) y su aplicación a los vehículos de lanzamiento espacial avanzados propulsados ​​por scramjet; el objetivo es apoyar el nuevo demostrador scramjet Boeing X-51 y al mismo tiempo construir una base sólida de datos de pruebas de vuelo para el desarrollo de lanzamientos espaciales de reacción rápida y armas hipersónicas de "ataque rápido".

Progreso en la década de 2010

El 22 y 23 de marzo de 2010, científicos de defensa australianos y estadounidenses probaron con éxito un cohete hipersónico (HIFiRE). Alcanzó una velocidad atmosférica de "más de 5.000 kilómetros por hora" (Mach  4) después de despegar del Woomera Test Range en el interior del sur de Australia.

El 27 de mayo de 2010, la NASA y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos volaron con éxito el X-51A Waverider durante aproximadamente 200 segundos a Mach  5, estableciendo un nuevo récord mundial de duración de vuelo a velocidad hipersónica. El Waverider voló de forma autónoma antes de perder la aceleración por una razón desconocida y destruirse como estaba planeado. La prueba fue declarada un éxito. El X-51A fue llevado a bordo de un B-52 , acelerado a Mach  4.5 a través de un cohete propulsor sólido, y luego encendió el motor scramjet Pratt & Whitney Rocketdyne para alcanzar Mach  5 a 70,000 pies (21,000 m). Sin embargo, un segundo vuelo el 13 de junio de 2011 finalizó prematuramente cuando el motor se encendió brevemente con etileno pero no pudo realizar la transición a su combustible principal JP-7 , por lo que no alcanzó la máxima potencia.

El 16 de noviembre de 2010, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en la Academia de la Fuerza de Defensa de Australia demostraron con éxito que el flujo de alta velocidad en un motor scramjet que no se quema naturalmente puede encenderse utilizando una fuente de láser pulsado.

Otra prueba del X-51A Waverider falló el 15 de agosto de 2012. El intento de volar el scramjet durante un período prolongado a Mach  6 se interrumpió cuando, a solo 15 segundos de vuelo, la nave X-51A perdió el control y se rompió, cayendo. en el Océano Pacífico al noroeste de Los Ángeles. La causa de la falla se atribuyó a una aleta de control defectuosa.

En mayo de 2013, un X-51A WaveRider sin tripulación alcanzó los 4828 km / h (Mach  3,9) durante un vuelo de tres minutos con potencia scramjet. El WaveRider se dejó caer a 50.000 pies (15.000 m) de un bombardero B-52 y luego se aceleró a Mach  4,8 mediante un cohete propulsor sólido que luego se separó antes de que entrara en vigor el motor scramjet del WaveRider.

El 28 de agosto de 2016, la agencia espacial india ISRO llevó a cabo con éxito una prueba de un motor scramjet en un cohete de dos etapas de combustible sólido. Se montaron motores scramjet gemelos en la parte posterior de la segunda etapa de un cohete de dos etapas con sonda de combustible sólido llamado Vehículo de tecnología avanzada (ATV), que es el cohete de sonda avanzado de ISRO. Los motores gemelos scramjet se encendieron durante la segunda etapa del cohete cuando el ATV alcanzó una velocidad de 7350 km / h (Mach  6) a una altitud de 20 km. Los motores scramjet se encendieron durante unos 5 segundos.

El 12 de junio de 2019, India llevó a cabo con éxito la prueba de vuelo inaugural de su avión de demostración scramjet sin tripulación desarrollado en el país para un vuelo de velocidad hipersónico desde una base de la isla Abdul Kalam en la Bahía de Bengala alrededor de las 11.25 a. M. El avión se llama Vehículo de demostración de tecnología hipersónica . El ensayo fue realizado por la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa . La aeronave forma un componente importante del programa del país para el desarrollo de un sistema de misiles de crucero hipersónico .

Progreso en la década de 2020

El 27 de septiembre de 2021, DARPA anunció el vuelo exitoso de su avión scramjet Hypersonic Air-Breat Weapon Concept .

Criterios de diseño

Los motores Scramjet son un tipo de motor a reacción y se basan en la combustión de combustible y un oxidante para producir empuje. De manera similar a los motores a reacción convencionales, los aviones propulsados ​​por scramjet transportan el combustible a bordo y obtienen el oxidante mediante la ingestión de oxígeno atmosférico (en comparación con los cohetes , que transportan tanto combustible como un agente oxidante ). Este requisito limita los scramjets a la propulsión atmosférica suborbital, donde el contenido de oxígeno del aire es suficiente para mantener la combustión.

El scramjet se compone de tres componentes básicos: una entrada convergente, donde se comprime el aire entrante; una cámara de combustión, donde se quema combustible gaseoso con oxígeno atmosférico para producir calor; y una boquilla divergente, donde el aire caliente se acelera para producir empuje . A diferencia de un motor a reacción típico, como un turborreactor o un motor turboventilador , un scramjet no utiliza componentes giratorios en forma de ventilador para comprimir el aire; más bien, la velocidad alcanzable del avión que se mueve a través de la atmósfera hace que el aire se comprima dentro de la entrada. Como tal, no se necesitan partes móviles en un scramjet. En comparación, los motores turborreactores típicos requieren múltiples etapas de rotores de compresores giratorios y múltiples etapas de turbinas giratorias , todo lo cual agrega peso, complejidad y un mayor número de puntos de falla al motor.

Debido a la naturaleza de su diseño, el funcionamiento del scramjet se limita a velocidades casi hipersónicas . Como carecen de compresores mecánicos, los scramjets requieren la alta energía cinética de un flujo hipersónico para comprimir el aire entrante a condiciones operativas. Por lo tanto, un vehículo propulsado por scramjet debe acelerarse a la velocidad requerida (generalmente alrededor de Mach  4) por algún otro medio de propulsión, como turborreactores, cañones de riel o motores de cohetes. En el vuelo del Boeing X-51A con motor scramjet experimental , la nave de prueba fue elevada a la altitud de vuelo por un Boeing B-52 Stratofortress antes de ser liberada y acelerada por un cohete desmontable hasta cerca de Mach  4.5. En mayo de 2013, otro vuelo logró una velocidad aumentada de Mach  5,1.

Si bien los scramjets son conceptualmente simples, la implementación real está limitada por desafíos técnicos extremos. El vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera una resistencia inmensa, y las temperaturas que se encuentran en la aeronave y dentro del motor pueden ser mucho mayores que las del aire circundante. Mantener la combustión en el flujo supersónico presenta desafíos adicionales, ya que el combustible debe inyectarse, mezclarse, encenderse y quemarse en milisegundos. Si bien la tecnología scramjet ha estado en desarrollo desde la década de 1950, solo recientemente los scramjets han logrado vuelos propulsados ​​con éxito.

Un diagrama comparativo de las diferentes geometrías para las secciones de compresión, combustión y expansión de un turborreactor, un estatorreactor y un scramjet.
Las regiones de compresión, combustión y expansión de: (a) turborreactor, (b) estatorreactor y (c) motores scramjet.

Principios básicos

Los Scramjets están diseñados para operar en el régimen de vuelo hipersónico, más allá del alcance de los motores turborreactores y, junto con los estatorreactores, llenan el espacio entre la alta eficiencia de los turborreactores y la alta velocidad de los motores cohete. Los motores basados ​​en turbomáquinas , aunque son altamente eficientes a velocidades subsónicas, se vuelven cada vez más ineficientes a velocidades transónicas, ya que los rotores del compresor que se encuentran en los motores turborreactores requieren velocidades subsónicas para funcionar. Si bien el flujo de velocidades transónicas a supersónicas bajas se puede desacelerar a estas condiciones, hacerlo a velocidades supersónicas da como resultado un tremendo aumento de temperatura y una pérdida de la presión total del flujo. Alrededor de Mach  3–4, la turbomáquina ya no es útil y la compresión tipo ariete se convierte en el método preferido.

Los estatorreactores utilizan las características de alta velocidad del aire para literalmente "empujar" el aire a través de un difusor de entrada hacia la cámara de combustión. A velocidades de vuelo transónicas y supersónicas, el aire corriente arriba de la entrada no puede salir del camino lo suficientemente rápido y se comprime dentro del difusor antes de difundirse en la cámara de combustión. La combustión en un estatorreactor tiene lugar a velocidades subsónicas, similares a los turborreactores, pero los productos de combustión luego se aceleran a través de una boquilla convergente-divergente a velocidades supersónicas. Como no tienen medios mecánicos de compresión, los estatorreactores no pueden arrancar desde un punto muerto y, por lo general, no alcanzan una compresión suficiente hasta el vuelo supersónico. La falta de turbomáquinas intrincadas permite a los estatorreactores lidiar con el aumento de temperatura asociado con la desaceleración de un flujo supersónico a velocidades subsónicas, pero esto solo llega hasta cierto punto: a velocidades casi hipersónicas, el aumento de temperatura y las ineficiencias desalientan la desaceleración del flujo a la magnitud encontrada en Motores ramjet.

Los motores Scramjet funcionan con los mismos principios que los ramjets, pero no desaceleran el flujo a velocidades subsónicas. Más bien, una cámara de combustión scramjet es supersónica: la entrada desacelera el flujo a un número de Mach más bajo para la combustión, después de lo cual se acelera a un número de Mach aún mayor a través de la boquilla. Al limitar la cantidad de desaceleración, las temperaturas dentro del motor se mantienen a un nivel tolerable, tanto desde el punto de vista del material como del combustible. Aun así, la tecnología scramjet actual requiere el uso de combustibles de alta energía y esquemas de enfriamiento activo para mantener un funcionamiento sostenido, a menudo utilizando hidrógeno y técnicas de enfriamiento regenerativo .

Teoría

Todos los motores scramjet tienen una entrada que comprime el aire entrante, inyectores de combustible, una cámara de combustión y una boquilla de empuje divergente . A veces, los motores también incluyen una región que actúa como un soporte de llama , aunque las altas temperaturas de estancamiento significan que se puede usar un área de ondas enfocadas, en lugar de una parte discreta del motor como se ve en los motores de turbina. Otros motores utilizan aditivos de combustible pirofóricos , como el silano , para evitar que se apague. A menudo se incluye un aislador entre la entrada y la cámara de combustión para mejorar la homogeneidad del flujo en la cámara de combustión y para ampliar el rango de funcionamiento del motor.

Las imágenes de ondas de choque de la Universidad de Maryland utilizando imágenes de Schlieren determinaron que la mezcla de combustible controla la compresión creando contrapresión y ondas de choque que ralentizan y comprimen el aire antes de la ignición, al igual que el cono de choque de un Ramjet. Las imágenes mostraron que cuanto mayor es el flujo de combustible y la combustión, más ondas de choque se forman delante de la cámara de combustión, lo que ralentiza y comprime el aire antes de la ignición.

Imagen generada por computadora del estrés y las ondas de choque experimentadas por un vehículo aéreo que viaja a alta velocidad
Imagen de dinámica de fluidos computacional (CFD) del NASA X-43A con scramjet adjunto a la parte inferior a Mach  7

Un scramjet recuerda a un ramjet . En un estatorreactor típico, la entrada supersónica del motor se desacelera en la entrada a velocidades subsónicas y luego se vuelve a acelerar a través de una boquilla a velocidades supersónicas para producir empuje. Esta desaceleración, que se produce por un choque normal , crea una pérdida de presión total que limita el punto de funcionamiento superior de un motor ramjet.

Para un scramjet, la energía cinética del aire libre que ingresa al motor scramjet es en gran medida comparable a la energía liberada por la reacción del contenido de oxígeno del aire con un combustible (por ejemplo, hidrógeno). Por tanto, el calor liberado por la combustión a Mach  2,5 es aproximadamente el 10% de la entalpía total del fluido de trabajo. Dependiendo del combustible, la energía cinética del aire y la liberación potencial de calor por combustión serán iguales alrededor de Mach  8. Por lo tanto, el diseño de un motor scramjet se trata tanto de minimizar la resistencia como de maximizar el empuje.

Esta alta velocidad dificulta el control del flujo dentro de la cámara de combustión. Dado que el flujo es supersónico, no se propaga ninguna influencia aguas abajo dentro de la corriente libre de la cámara de combustión. El estrangulamiento de la entrada a la boquilla de empuje no es una técnica de control utilizable. En efecto, un bloque de gas que ingresa a la cámara de combustión debe mezclarse con el combustible y tener tiempo suficiente para iniciarse y reaccionar, mientras viaja de manera supersónica a través de la cámara de combustión, antes de que el gas quemado se expanda a través de la boquilla de empuje. Esto impone requisitos estrictos sobre la presión y la temperatura del flujo, y requiere que la inyección y la mezcla de combustible sean extremadamente eficientes. Las presiones dinámicas utilizables se encuentran en el rango de 20 a 200 kilopascales (2.9 a 29.0 psi), donde

dónde

q es la presión dinámica del gas
ρ ( rho ) es la densidad del gas
v es la velocidad del gas

Para mantener constante la tasa de combustión del combustible, la presión y la temperatura en el motor también deben ser constantes. Esto es problemático porque los sistemas de control de flujo de aire que facilitarían esto no son físicamente posibles en un vehículo de lanzamiento scramjet debido a la gran velocidad y rango de altitud involucrados, lo que significa que debe viajar a una altitud específica para su velocidad. Debido a que la densidad del aire se reduce a mayores altitudes, un scramjet debe ascender a una velocidad específica a medida que acelera para mantener una presión de aire constante en la entrada. Este perfil óptimo de ascenso / descenso se denomina "trayectoria de presión dinámica constante". Se cree que los scramjets podrían funcionar hasta una altitud de 75 km.

La inyección y la gestión de combustible también son potencialmente complejas. Una posibilidad sería que el combustible fuera presurizado a 100 bar por una bomba turbo, calentado por el fuselaje, enviado a través de la turbina y acelerado a velocidades más altas que el aire por una boquilla. La corriente de aire y combustible se cruzan en una estructura en forma de peine, lo que genera una gran interfaz. La turbulencia debido a la mayor velocidad del combustible conduce a una mezcla adicional. Los combustibles complejos como el queroseno necesitan un motor largo para completar la combustión.

El número de Mach mínimo al que puede funcionar un scramjet está limitado por el hecho de que el flujo comprimido debe estar lo suficientemente caliente para quemar el combustible y tener una presión lo suficientemente alta como para que la reacción termine antes de que el aire salga por la parte trasera del motor. Además, para ser llamado scramjet, el flujo comprimido debe ser supersónico después de la combustión. Aquí deben observarse dos límites: primero, dado que cuando un flujo supersónico se comprime, se ralentiza, el nivel de compresión debe ser lo suficientemente bajo (o la velocidad inicial lo suficientemente alta) para no ralentizar el gas por debajo de Mach  1. Si el gas dentro de un scramjet va por debajo de Mach  1, el motor se "ahogará", pasando a un flujo subsónico en la cámara de combustión. Este efecto es bien conocido entre los experimentadores en scramjets, ya que las ondas causadas por la asfixia son fácilmente observables. Además, el aumento repentino de la presión y la temperatura en el motor puede provocar una aceleración de la combustión, provocando la explosión de la cámara de combustión.

En segundo lugar, el calentamiento del gas por combustión hace que la velocidad del sonido en el gas aumente (y el número de Mach disminuya) aunque el gas siga viajando a la misma velocidad. Forzar la velocidad del flujo de aire en la cámara de combustión por debajo de Mach  1 de esta manera se denomina "estrangulamiento térmico". Está claro que un scramjet puro puede operar a números de Mach de 6 a 8, pero en el límite inferior, depende de la definición de scramjet. Hay diseños de motores en los que un ramjet se transforma en un scramjet en el  rango de Mach 3–6, conocido como scramjets de modo dual. Sin embargo, en este rango, el motor sigue recibiendo un empuje significativo de la combustión subsónica del tipo ramjet.

El alto costo de las pruebas de vuelo y la falta de disponibilidad de instalaciones terrestres han obstaculizado el desarrollo de scramjet. Una gran parte del trabajo experimental sobre scramjets se ha realizado en instalaciones criogénicas, pruebas de conexión directa o quemadores, cada uno de los cuales simula un aspecto del funcionamiento del motor. Además, las instalaciones viciadas (con la capacidad de controlar las impurezas del aire), las instalaciones de almacenamiento con calefacción, las instalaciones de arco y los diversos tipos de túneles de choque tienen limitaciones que han impedido una simulación perfecta del funcionamiento del scramjet. La prueba de vuelo HyShot mostró la relevancia de la simulación 1: 1 de las condiciones en los túneles de choque T4 y HEG, a pesar de tener modelos fríos y un tiempo de prueba corto. Las pruebas NASA -CIAM proporcionaron una verificación similar para la instalación C-16 V / K de CIAM y se espera que el proyecto Hyper-X proporcione una verificación similar para Langley AHSTF, CHSTF y 8 pies (2.4 m) HTT.

La dinámica de fluidos computacional ha alcanzado recientemente una posición para realizar cálculos razonables para resolver problemas de operación de scramjet. El modelado de la capa límite, la mezcla turbulenta, el flujo de dos fases, la separación del flujo y la aerotermodinámica del gas real siguen siendo problemas en la vanguardia de los CFD. Además, el modelado de la combustión cinética limitada con especies de reacción muy rápida, como el hidrógeno, impone una gran demanda a los recursos informáticos. Los esquemas de reacción son numéricamente rígidos y requieren esquemas de reacción reducidos.

Gran parte de la experimentación con scramjet permanece clasificada . Varios grupos, incluida la Marina de los EE. UU. Con el motor SCRAM entre 1968 y 1974, y el programa Hyper-X con el X-43A , han afirmado demostraciones exitosas de la tecnología scramjet. Dado que estos resultados no se han publicado abiertamente, permanecen sin verificar y aún no existe un método de diseño final de motores scramjet.

Es probable que la aplicación final de un motor scramjet sea en conjunto con motores que puedan operar fuera del rango de operación del scramjet. Los scramjets de modo dual combinan combustión subsónica con combustión supersónica para operar a velocidades más bajas, y los motores de ciclo combinado basados ​​en cohetes (RBCC) complementan la propulsión de un cohete tradicional con un scramjet, lo que permite agregar oxidante adicional al flujo del scramjet. Los RBCC ofrecen la posibilidad de extender el rango de operación de un scramjet a velocidades más altas o presiones dinámicas de admisión más bajas de lo que sería posible de otra manera.

Ventajas y desventajas de los scramjets

Ventajas

  1. No tiene por qué transportar oxígeno.
  2. La ausencia de piezas giratorias hace que sea más fácil de fabricar que un turborreactor.
  3. Tiene un impulso específico más alto (cambio en la cantidad de movimiento por unidad de propulsor) que un motor de cohete; podría proporcionar entre 1000 y 4000 segundos, mientras que un cohete generalmente proporciona alrededor de 450 segundos o menos.
  4. Una mayor velocidad podría significar un acceso más barato al espacio exterior en el futuro

Refrigeración y materiales especiales

A diferencia de un cohete que pasa rápidamente principalmente verticalmente a través de la atmósfera o un turborreactor o estatorreactor que vuela a velocidades mucho más bajas, un vehículo hipersónico con respiración de aire vuela de manera óptima una "trayectoria deprimida", permaneciendo dentro de la atmósfera a velocidades hipersónicas. Debido a que los scramjets solo tienen relaciones de empuje a peso mediocres, la aceleración sería limitada. Por lo tanto, el tiempo en la atmósfera a velocidad supersónica sería considerable, posiblemente de 15 a 30 minutos. Similar a un vehículo espacial que vuelve a entrar , el aislamiento térmico sería una tarea formidable, con protección requerida por una duración más larga que la de una cápsula espacial típica , aunque menor que la del transbordador espacial .

Los nuevos materiales ofrecen un buen aislamiento a altas temperaturas, pero a menudo se sacrifican en el proceso. Por lo tanto, los estudios suelen planificar el "enfriamiento activo", en el que el refrigerante que circula por el revestimiento del vehículo evita que se desintegre. A menudo, el refrigerante es el combustible en sí, de la misma manera que los cohetes modernos usan su propio combustible y oxidante como refrigerante para sus motores. Todos los sistemas de enfriamiento agregan peso y complejidad a un sistema de lanzamiento. El enfriamiento de los scramjets de esta manera puede resultar en una mayor eficiencia, ya que se agrega calor al combustible antes de ingresar al motor, pero da como resultado una mayor complejidad y peso que, en última instancia, podría superar cualquier mejora en el rendimiento.

Rendimiento del vehículo

El impulso específico de varios motores.

El rendimiento de un sistema de lanzamiento es complejo y depende en gran medida de su peso. Normalmente, las naves están diseñadas para maximizar el alcance ( ), el radio orbital ( ) o la fracción de masa de carga útil ( ) para un motor y combustible determinados. Esto da como resultado compensaciones entre la eficiencia del motor (peso del combustible al despegue) y la complejidad del motor (peso seco al despegue), que se puede expresar de la siguiente manera:

Dónde :

  • es la fracción de masa vacía y representa el peso de la superestructura, el tanque y el motor.
  • es la fracción de masa de combustible y representa el peso del combustible, oxidante y cualquier otro material que se consuma durante el lanzamiento.
  • es la relación de masa inicial y es la inversa de la fracción de masa de la carga útil. Esto representa cuánta carga útil puede entregar el vehículo a un destino.

Un scramjet aumenta la masa del motor sobre un cohete y disminuye la masa del combustible . Puede ser difícil decidir si esto dará como resultado un aumento (que sería un aumento de la carga útil entregada a un destino para un peso constante de despegue del vehículo). La lógica detrás de los esfuerzos conduciendo un scramjet es (por ejemplo) que la reducción de combustible disminuye la masa total en un 30%, mientras que el aumento del peso del motor agrega un 10% a la masa total del vehículo. Desafortunadamente, la incertidumbre en el cálculo de cualquier cambio de masa o eficiencia en un vehículo es tan grande que suposiciones ligeramente diferentes para la eficiencia o masa del motor pueden proporcionar argumentos igualmente buenos a favor o en contra de los vehículos propulsados ​​por scramjet.

Además, se debe considerar el arrastre de la nueva configuración. El arrastre de la configuración total se puede considerar como la suma del arrastre del vehículo ( ) y el arrastre de la instalación del motor ( ). El arrastre de la instalación resulta tradicionalmente de los pilones y del flujo acoplado debido al chorro del motor, y es una función del ajuste del acelerador. Por lo tanto, a menudo se escribe como:

Dónde:

  • es el coeficiente de pérdida
  • es el empuje del motor

Para un motor fuertemente integrado en el cuerpo aerodinámico, puede ser más conveniente pensar en ( ) como la diferencia en el arrastre de una configuración básica conocida.

La eficiencia global del motor se puede representar como un valor entre 0 y 1 ( ), en términos del impulso específico del motor:

Dónde:

  • es la aceleración debida a la gravedad a nivel del suelo
  • es la velocidad del vehículo
  • es el impulso específico
  • es el calor de reacción del combustible

El impulso específico se utiliza a menudo como unidad de eficiencia para los cohetes, ya que en el caso del cohete, existe una relación directa entre el impulso específico , el consumo específico de combustible y la velocidad de escape. Esta relación directa generalmente no está presente para los motores de aire, por lo que el impulso específico se usa menos en la literatura. Tenga en cuenta que para un motor de respiración de aire, ambos y son una función de la velocidad.

El impulso específico de un motor cohete es independiente de la velocidad, y los valores comunes están entre 200 y 600 segundos (450  s para los motores principales del transbordador espacial). El impulso específico de un scramjet varía con la velocidad, reduciéndose a velocidades más altas, comenzando en aproximadamente 1200  s, aunque los valores en la literatura varían.

Para el caso simple de un vehículo de una sola etapa, la fracción de masa de combustible se puede expresar como:

Donde esto se puede expresar para la transferencia de una sola etapa a la órbita como:

o para vuelo atmosférico nivelado desde el lanzamiento aéreo ( vuelo de misiles ):

Dónde está el rango y el cálculo se puede expresar en forma de la fórmula de rango de Breguet :

Dónde:

Esta formulación extremadamente simple, utilizada con fines de discusión, asume:

  • Vehículo de una sola etapa
  • Sin elevación aerodinámica para el elevador transatmosférico

Sin embargo, son válidos en general para todos los motores.

Requisitos de propulsión inicial

Un scramjet no puede producir un empuje eficiente a menos que sea impulsado a alta velocidad, alrededor de Mach  5, aunque dependiendo del diseño podría actuar como ramjet a bajas velocidades. Un avión de despegue horizontal necesitaría motores turbofan , turborreactores o cohetes convencionales para despegar, lo suficientemente grandes como para mover una nave pesada. También se necesitaría combustible para esos motores, además de toda la estructura de montaje y los sistemas de control asociados al motor. Los motores turbofan y turborreactor son pesados ​​y no pueden exceder fácilmente alrededor de Mach  2-3, por lo que se necesitaría otro método de propulsión para alcanzar la velocidad de operación del scramjet. Podrían ser estafadores o cohetes . Esos también necesitarían su propio suministro de combustible, estructura y sistemas separados. En cambio, muchas propuestas requieren una primera etapa de propulsores de cohetes sólidos soltables , lo que simplifica enormemente el diseño.

Pruebas de dificultades

Prueba del motor scramjet Pratt & Whitney Rocketdyne SJY61 para el Boeing X-51

A diferencia de las instalaciones de sistemas de propulsión a chorro o cohete que se pueden probar en tierra, las pruebas de diseños de scramjet utilizan cámaras de prueba hipersónicas extremadamente caras o vehículos de lanzamiento costosos, los cuales conllevan altos costos de instrumentación. Las pruebas que utilizan vehículos de prueba lanzados suelen terminar con la destrucción del elemento de prueba y la instrumentación.

Desventajas

  1. Pruebas y desarrollo difíciles / costosos
  2. Requisitos de propulsión inicial muy elevados

Ventajas y desventajas de los vehículos orbitales.

Propulsor

Una ventaja de un vehículo hipersónico de respiración de aire (típicamente scramjet) como el X-30 es evitar o al menos reducir la necesidad de llevar oxidante. Por ejemplo, el tanque externo del transbordador espacial contenía 616,432.2 kg de oxígeno líquido (LOX) y 103,000 kg de hidrógeno líquido (LH 2 ) con un peso vacío de 30,000 kg. El peso bruto del orbitador era de 109.000 kg con una carga útil máxima de unos 25.000 kg y para sacar el conjunto de la plataforma de lanzamiento, la lanzadera utilizó dos propulsores de cohetes sólidos muy potentes con un peso de 590.000 kg cada uno. Si se pudiera eliminar el oxígeno, el vehículo podría ser más liviano al despegar y tal vez transportar más carga útil.

Por otro lado, los scramjets pasan más tiempo en la atmósfera y requieren más combustible de hidrógeno para hacer frente a la resistencia aerodinámica. Mientras que el oxígeno líquido es un fluido bastante denso (1141 kg / m 3 ), el hidrógeno líquido tiene una densidad mucho menor (70,85 kg / m 3 ) y ocupa más volumen. Esto significa que el vehículo que usa este combustible se vuelve mucho más grande y da más resistencia. Otros combustibles tienen una densidad más comparable, como RP-1 (464 kg / m 3 ) JP-7 (densidad a 15 ° C 779–806 kg / m 3 ) y dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) (793,00 kg / m 3 ).

Relación empuje-peso

Un problema es que se predice que los motores scramjet tendrán una relación de empuje a peso excepcionalmente pobre de alrededor de 2, cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Un cohete tiene la ventaja de que sus motores tienen muy altas relaciones de empuje-peso (~ 100: 1), mientras que el tanque para mantener el oxígeno líquido se aproxima a una relación en volumen de ~ 100: 1 también. Por lo tanto, un cohete puede alcanzar una fracción de masa muy alta , lo que mejora el rendimiento. Por el contrario, la relación empuje / peso proyectada de los motores scramjet de aproximadamente 2 significa que un porcentaje mucho mayor de la masa de despegue es motor (ignorando que esta fracción aumenta de todos modos en un factor de aproximadamente cuatro debido a la falta de oxidante a bordo). Además, el menor empuje del vehículo no evita necesariamente la necesidad de las turbobombas de alto rendimiento caras, voluminosas y propensas a fallas que se encuentran en los motores de cohetes convencionales de combustible líquido, ya que la mayoría de los diseños de scramjet parecen ser incapaces de alcanzar velocidades orbitales en modo de respiración de aire, y por lo tanto, se necesitan motores de cohetes adicionales.

Necesidad de propulsión adicional para alcanzar la órbita.

Los Scramjets podrían acelerar de aproximadamente Mach  5-7 a alrededor de la mitad de la velocidad orbital y la velocidad orbital (la investigación de X-30 sugirió que Mach  17 podría ser el límite en comparación con una velocidad orbital de Mach  25, y otros estudios ponen el límite de velocidad superior para un motor scramjet puro entre Mach  10 y 25, dependiendo de las suposiciones hechas). Generalmente, se espera que se necesite otro sistema de propulsión (muy típicamente, se propone un cohete) para la aceleración final en órbita. Dado que el delta-V es moderado y la fracción de carga útil de los scramjets alta, los cohetes de menor rendimiento como sólidos, hipergólicos o simples propulsores de combustible líquido podrían ser aceptables.

Las proyecciones teóricas sitúan la velocidad máxima de un scramjet entre Mach 12 (14.000 km / h; 8.400 mph) y Mach 24 (25.000 km / h; 16.000 mph). A modo de comparación, la velocidad orbital a 200 kilómetros (120 millas) de órbita terrestre baja es de 7,79 kilómetros por segundo (28.000 km / h; 17.400 mph).

Reentrada

La parte inferior resistente al calor del scramjet funciona potencialmente como su sistema de reentrada si se visualiza un vehículo de una sola etapa a la órbita que utiliza enfriamiento no ablativo y no activo. Si se utiliza un blindaje ablativo en el motor, probablemente no se podrá utilizar después del ascenso a la órbita. Si se usa enfriamiento activo con el combustible como refrigerante, la pérdida de todo el combustible durante el quemado a la órbita también significará la pérdida de todo el enfriamiento del sistema de protección térmica.

Costos

Reducir la cantidad de combustible y oxidante no necesariamente mejora los costos, ya que los propulsores de cohetes son comparativamente muy baratos. De hecho, se puede esperar que el costo unitario del vehículo termine siendo mucho más alto, ya que el costo del hardware aeroespacial es aproximadamente dos órdenes de magnitud más alto que el oxígeno líquido, el combustible y el tanque, y el hardware scramjet parece ser mucho más pesado que los cohetes para cualquier carga útil determinada. . Aún así, si los scramjets permiten vehículos reutilizables, en teoría, esto podría ser un beneficio en términos de costos. No está claro si el equipo sujeto a las condiciones extremas de un scramjet puede reutilizarse suficientes veces; todas las pruebas de scramjet voladas solo sobreviven por períodos cortos y nunca han sido diseñadas para sobrevivir a un vuelo hasta la fecha.

El costo final de un vehículo de este tipo es objeto de un intenso debate, ya que incluso las mejores estimaciones no están de acuerdo sobre si un vehículo scramjet sería ventajoso. Es probable que un vehículo scramjet necesite levantar más carga que un cohete de igual peso de despegue para ser igualmente rentable (si el scramjet es un vehículo no reutilizable).

Cuestiones

Los vehículos de lanzamiento espacial pueden beneficiarse o no de tener una etapa scramjet. Una etapa scramjet de un vehículo de lanzamiento proporciona teóricamente un impulso específico de 1000 a 4000  s, mientras que un cohete proporciona menos de 450  s mientras está en la atmósfera. Sin embargo, el impulso específico de un scramjet disminuye rápidamente con la velocidad, y el vehículo sufriría una relación de sustentación / arrastre relativamente baja .

La relación de empuje a peso instalado de los scramjets se compara muy desfavorablemente con el 50-100 de un motor de cohete típico. Esto se compensa en los scramjets en parte porque el peso del vehículo sería soportado por la sustentación aerodinámica en lugar de la potencia pura del cohete (lo que reduce las ' pérdidas de gravedad '), pero los scramjets tardarían mucho más en llegar a la órbita debido al menor empuje que compensa en gran medida. la ventaja. El peso de despegue de un vehículo scramjet se reduce significativamente sobre el de un cohete, debido a la falta de oxidante a bordo, pero aumenta por los requisitos estructurales de los motores más grandes y pesados.

Si este vehículo podría ser reutilizable o no, sigue siendo un tema de debate e investigación.

Aplicaciones

Un avión que utilice este tipo de motor a reacción podría reducir drásticamente el tiempo que lleva viajar de un lugar a otro, poniendo potencialmente cualquier lugar de la Tierra en un vuelo de 90 minutos. Sin embargo, existen dudas sobre si dicho vehículo podría transportar suficiente combustible para realizar viajes largos y útiles. Además, algunos países prohíben o penalizan los aviones de pasajeros y otros aviones civiles que crean explosiones sónicas . (Por ejemplo, en los Estados Unidos, las regulaciones de la FAA prohíben los vuelos supersónicos por tierra en aviones civiles).

Se ha propuesto el vehículo Scramjet para una sola etapa para atar el vehículo, donde una atadura orbital  giratoria Mach 12 recogería una carga útil de un vehículo a unos 100 km y la llevaría a la órbita.

Ver también

Referencias

Citas

Bibliografía

enlaces externos