Los cohetes impulsados por aire utilizan el escape supersónico de algún tipo de motor de cohete para comprimir aún más el aire recogido por el efecto de ariete durante el vuelo y utilizarlo como masa de trabajo adicional , lo que genera un mayor empuje efectivo para cualquier cantidad determinada de combustible que el cohete o un estatorreactor por sí solos. . [1]
Representa una clase híbrida de motores de cohete/estatorreactor, similar a un estatorreactor , pero capaz de dar un empuje útil desde velocidad cero, y en algunos casos también es capaz de operar fuera de la atmósfera, con una eficiencia de combustible no peor que la de un estatorreactor comparable o cohete en cada punto.
Existe una amplia variedad de variaciones del concepto básico y una amplia variedad de nombres resultantes. Los que queman combustible adicional aguas abajo del cohete se conocen generalmente como cohetes estatoris, cohetes eyectores, cohetes/estatorreactores integrales o estatorreactores eyectores, mientras que los que no incluyen combustión adicional se conocen como cohetes con conductos o cohetes envueltos, dependiendo de los detalles del expansor. . [2]
En un motor de cohete químico convencional, el cohete lleva tanto su combustible como su oxidante en su fuselaje. La reacción química entre el combustible y el oxidante produce productos reactivos que nominalmente son gases a las presiones y temperaturas en la cámara de combustión del cohete. La reacción también es muy energética (exotérmica) y libera una enorme energía en forma de calor; que se imparte a los productos reactivos en la cámara de combustión dando a esta masa una enorme energía interna que, cuando se expande a través de una boquilla, es capaz de producir velocidades de escape muy altas. El escape se dirige hacia atrás a través de la tobera, produciendo así un empuje hacia adelante.
En este diseño convencional, la mezcla de combustible/oxidante es tanto la masa de trabajo como la fuente de energía que la acelera. Es fácil demostrar que se obtiene el mejor rendimiento si la masa de trabajo tiene el peso molecular más bajo posible. [3] El hidrógeno, por sí solo, es en teoría el mejor combustible para cohetes. Mezclarlo con oxígeno para quemarlo reduce el rendimiento general del sistema al aumentar la masa del escape, además de aumentar considerablemente la masa que debe transportarse hacia arriba: el oxígeno es mucho más pesado que el hidrógeno.
Un método potencial para aumentar el rendimiento general del sistema es recolectar el combustible o el oxidante durante el vuelo. Es difícil encontrar combustible en la atmósfera, pero el oxidante en forma de oxígeno gaseoso constituye hasta el 20% del aire. Hay una serie de diseños que aprovechan este hecho. Este tipo de sistemas se han explorado en el motor de ciclo de aire líquido (LACE).
Otra idea es reunir la masa trabajadora. En un cohete impulsado por aire, un motor de cohete convencional está montado en el centro de un tubo largo, abierto en la parte delantera. A medida que el cohete se mueve a través de la atmósfera, el aire ingresa por la parte frontal del tubo, donde se comprime mediante el efecto de ariete. A medida que viaja por el tubo, se comprime aún más y se mezcla con el escape rico en combustible del motor del cohete, que calienta el aire de forma muy similar a como lo haría una cámara de combustión en un estatorreactor . De esta manera, se puede utilizar un cohete bastante pequeño para acelerar una masa de trabajo mucho mayor de lo normal, lo que genera un empuje significativamente mayor dentro de la atmósfera.
La eficacia de este sencillo método puede ser espectacular. Los cohetes sólidos típicos tienen un impulso específico de unos 260 segundos (2,5 kN·s/kg), pero usar el mismo combustible en un diseño aumentado con aire puede mejorarlo a más de 500 segundos (4,9 kN·s/kg), una cifra incluso Los mejores motores de hidrógeno/oxígeno no pueden igualar. Este diseño puede ser incluso un poco más eficiente que un estatorreactor , ya que el escape del motor del cohete ayuda a comprimir el aire más de lo que normalmente lo haría un estatorreactor; esto aumenta la eficiencia de la combustión ya que se puede emplear una boquilla más larga y eficiente. Otra ventaja es que el cohete funciona incluso a velocidad de avance cero, mientras que un estatorreactor requiere movimiento de avance para alimentar aire al motor.
Se podría prever que tal aumento en el rendimiento se implementaría ampliamente, pero varias cuestiones frecuentemente lo impiden. Las tomas de admisión de los motores de alta velocidad son difíciles de diseñar y requieren una colocación cuidadosa en la estructura del avión para lograr un rendimiento razonable; en general, toda la estructura del avión debe construirse alrededor del diseño de admisión. Otro problema es que el aire se adelgaza a medida que el cohete asciende. Por lo tanto, la cantidad de empuje adicional está limitada por la velocidad a la que asciende el cohete. Finalmente, los conductos de aire añaden bastante peso, lo que ralentiza considerablemente el vehículo hacia el final del recorrido.
La versión más simple de un sistema de aumento de aire se encuentra en el cohete envuelto. Consiste principalmente en un motor de cohete o motores colocados en un conducto. El escape del cohete arrastra el aire, lo arrastra a través del conducto, al mismo tiempo que se mezcla con él y lo calienta, lo que hace que la presión aumente aguas abajo del cohete. Luego, el gas caliente resultante se expande aún más a través de una boquilla de expansión. [2]
Una ligera variación del cohete envuelto, el cohete con conductos añade sólo una boquilla convergente-divergente . Esto garantiza que la combustión se produzca a velocidades subsónicas, mejorando el rango de velocidades del vehículo en las que el sistema sigue siendo útil. [2]
El estatorreactor eyector es un sistema más complejo con un rendimiento potencialmente mayor. Al igual que el cohete envuelto y con conductos, el sistema comienza con uno o más motores de cohete en una entrada de aire. Se diferencia en que el escape mixto ingresa a un difusor, lo que reduce la velocidad del flujo de aire a velocidades subsónicas. Luego se inyecta combustible adicional, que se quema en esta sección ampliada. El escape de esa combustión ingresa luego a una tobera convergente-divergente como en un estatorreactor convencional o en la carcasa de un cohete con conductos. [2]
El primer [4] intento serio de fabricar un cohete de producción impulsado por aire fue el diseño del cohete soviético Gnom , implementado por el Decreto 708-336 de los ministros soviéticos del 2 de julio de 1958.
Más recientemente, alrededor de 2002, la NASA volvió a examinar una tecnología similar para el programa GTX como parte de un esfuerzo por desarrollar naves espaciales SSTO . [5]
Los cohetes impulsados por aire finalmente entraron en producción en masa en 2016, cuando se puso en servicio el misil aire-aire Meteor .