Un scramjet ( estatorreactor de combustión supersónica ) es una variante de un motor a reacción de respiración de aire estatorreactor en el que la combustión tiene lugar en un flujo de aire supersónico . Al igual que en los estatorreactores, [1] un scramjet depende de la alta velocidad del vehículo para comprimir con fuerza el aire entrante antes de la combustión (de ahí el ramjet ), pero mientras que un estatorreactor desacelera el aire a velocidades subsónicas antes de la combustión utilizando conos de choque , un scramjet no tiene cono de choque. y ralentiza el flujo de aire utilizando ondas de choque producidas por su fuente de ignición en lugar de un cono de choque. [2] Esto permite que el scramjet funcione eficientemente a velocidades extremadamente altas. [3]
El Bell X-1 alcanzó el 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 especializados de investigación de cohetes como el X-15 norteamericano 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 Estados Unidos, entre los años cincuenta y mediados de los sesenta, 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 empuje neto en noviembre de 1964, y finalmente produjo 517 libras de fuerza (2,30 kN), aproximadamente el 80% de su objetivo. En 1958, un artículo analítico discutió las ventajas y desventajas de los estatorreactores de combustión supersónica. [4] En 1964, Frederick S. Billig y Gordon L. Dugger presentaron una solicitud de patente para un estatorreactor de combustión supersónica basada en la tesis doctoral de Billig. Esta patente se emitió en 1981 tras la eliminación de una orden de secreto. [5]
En 1981, se realizaron pruebas en Australia bajo la dirección del profesor Ray Stalker en las instalaciones de pruebas en tierra T3 de la ANU. [6]
La primera prueba de vuelo exitosa de un scramjet se realizó como un esfuerzo conjunto con la NASA , sobre la Unión Soviética en 1991. Se trataba de un scramjet de modo dual, con simetría axial y alimentado con hidrógeno, desarrollado por el Instituto Central de Motores de Aviación (CIAM) de Moscú a finales de década de 1970, pero modernizado con una aleación de FeCrAl en un misil SM-6 convertido para alcanzar parámetros de vuelo iniciales de Mach 6,8, antes de que el scramjet volara a Mach 5,5. El vuelo del scramjet se llevó a cabo cautivo sobre el misil tierra-aire SA-5 que incluía una unidad de apoyo de vuelo experimental conocida como "Laboratorio de Vuelo Hipersónico" (HFL), "Kholod". [7]
Luego, de 1992 a 1998, el CIAM realizó junto con Francia y luego con la NASA otras seis pruebas de vuelo del demostrador scramjet de alta velocidad con simetría axial . [8] [9] Se alcanzó una velocidad máxima de vuelo superior a Mach 6,4 y se demostró el funcionamiento del scramjet durante 77 segundos. Estas series de pruebas de vuelo también proporcionaron información sobre los controles de vuelo hipersónicos autónomos.
En la década de 2000, se lograron avances significativos en el desarrollo de la 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 impulsar una nave. Fue diseñado más o menos como un demostrador de tecnología. [10]
Un equipo conjunto británico y australiano de la empresa de defensa británica Qinetiq y la Universidad de Queensland fueron el primer grupo en demostrar un scramjet funcionando en una prueba atmosférica. [11]
Hyper-X realizó el primer vuelo de un vehículo propulsado por scramjet que produce empuje y con superficies de maniobra aerodinámicas completas en 2004 con el X-43A . [12] [13] La última de las tres pruebas del scramjet X-43A alcanzó Mach 9,6 durante un breve tiempo. [14]
El 15 de junio de 2007, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos ( DARPA ), en cooperación con la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO), anunció un exitoso vuelo en scramjet a Mach 10 utilizando motores de cohetes para impulsar el vehículo de prueba a velocidades hipersónicas. [15] [16]
Se completó una serie de pruebas terrestres de scramjet en las instalaciones de pruebas de scramjet calentadas por arco de Langley (AHSTF) de la NASA en condiciones de vuelo simuladas de Mach 8. Estos experimentos se utilizaron para respaldar el vuelo 2 de HIFiRE. [17]
El 22 de mayo de 2009, Woomera organizó el primer vuelo de prueba exitoso de un avión hipersónico en HIFiRE (Experimentación de investigación de vuelos internacionales hipersónicos). 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 EE. UU., denominado HIFiRE. [18] HIFiRE está investigando la tecnología hipersónica y su aplicación a vehículos de lanzamiento espacial avanzados propulsados por scramjet; El objetivo es apoyar al 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". [18]
Los días 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 campo de pruebas Woomera en el interior de Australia del Sur. [19] [20]
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. [21] El Waverider voló de forma autónoma antes de perder aceleración por una razón desconocida y destruirse según lo planeado. La prueba fue declarada un éxito. El X-51A se transportó a bordo de un B-52 , se aceleró a Mach 4,5 mediante un cohete propulsor sólido y luego encendió el motor scramjet Pratt & Whitney Rocketdyne para alcanzar Mach 5 a 70.000 pies (21.000 m). [22] Sin embargo, un segundo vuelo el 13 de junio de 2011 finalizó prematuramente cuando el motor se encendió brevemente con etileno pero no logró realizar la transición a su combustible primario JP-7 , sin alcanzar la máxima potencia. [23]
El 16 de noviembre de 2010, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en la Academia de las Fuerzas de Defensa de Australia demostraron con éxito que el flujo de alta velocidad en un motor scramjet que no arde naturalmente puede encenderse utilizando una fuente de láser pulsado. [24]
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 vio interrumpido 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 del fallo se atribuyó a una aleta de control defectuosa. [25]
En mayo de 2013, un X-51A Waverider alcanzó 4.828 km/h (Mach 3,9) durante un vuelo de tres minutos con motor scramjet. El WaveRider fue lanzado a 50.000 pies (15.000 m) desde un bombardero B-52 y luego fue acelerado a Mach 4,8 mediante un cohete propulsor sólido que luego se separó antes de que el motor scramjet del WaveRider entrara en vigor. [26]
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 gemelos scramjet en la parte trasera de la segunda etapa de un cohete de sondeo de combustible sólido de dos etapas llamado Vehículo de Tecnología Avanzada (ATV), que es el cohete de sondeo 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. [27] [28]
El 12 de junio de 2019, India llevó a cabo con éxito la prueba de vuelo inaugural de su avión de demostración scramjet no tripulado desarrollado localmente para vuelos a velocidad hipersónica 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 demostrador de tecnología hipersónica . El ensayo fue llevado a cabo por la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa . El avión constituye un componente importante del programa del país para el desarrollo de un sistema de misiles de crucero hipersónicos . [29] [30]
El 27 de septiembre de 2021, DARPA anunció el vuelo exitoso de su misil de crucero scramjet Hypersonic Air-breathing Weapon Concept . [31] Otra prueba exitosa se llevó a cabo a mediados de marzo de 2022 en medio de la invasión rusa de Ucrania . Los detalles se mantuvieron en secreto para evitar una escalada de tensión con Rusia , sólo para ser revelados por un funcionario anónimo del Pentágono a principios de abril. [32] [33]
Los motores scramjet son un tipo de motor a reacción y dependen de la combustión de combustible y un oxidante para producir empuje. Al igual que los motores a reacción convencionales, los aviones propulsados por scramjet llevan 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 calentado se acelera para producir empuje . [34] A diferencia de un motor a reacción típico, como un turborreactor o un motor turbofan , un scramjet no utiliza componentes giratorios similares a ventiladores para comprimir el aire; más bien, la velocidad alcanzable de la aeronave que se mueve a través de la atmósfera hace que el aire se comprima dentro de la entrada. [34] Como tal, no se necesitan piezas 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 una mayor cantidad de puntos de falla al motor.
Debido a la naturaleza de su diseño, el funcionamiento de los scramjets 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 hasta la velocidad requerida (normalmente alrededor de Mach 4) mediante algún otro medio de propulsión, como un turborreactor o un motor de cohete. [35] En el vuelo del Boeing X-51A experimental propulsado por scramjet , la nave de prueba fue elevada a 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. [36] En mayo de 2013, otro vuelo alcanzó una velocidad aumentada de Mach 5,1. [37]
Si bien los scramjets son conceptualmente simples, su implementación real está limitada por desafíos técnicos extremos. El vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera una inmensa resistencia y las temperaturas que se encuentran en el avión 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, sólo muy recientemente los scramjets han logrado volar con éxito. [38]
Los scramjets están diseñados para operar en régimen de vuelo hipersónico, fuera del alcance de los motores turborreactores y, junto con los estatorreactores, llenan el vacío entre la alta eficiencia de los turborreactores y la alta velocidad de los motores de cohetes. Los motores basados en turbomáquinas , si bien son muy 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 hasta estas condiciones, hacerlo a velocidades supersónicas da como resultado un enorme aumento de temperatura y una pérdida en la presión total del flujo. Alrededor de Mach 3-4, la turbomaquinaria ya no es útil y la compresión tipo ariete se convierte en el método preferido. [39]
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 aguas arriba de la entrada no puede apartarse lo suficientemente rápido y se comprime dentro del difusor antes de difundirse hacia la cámara de combustión. La combustión en un estatorreactor se produce a velocidades subsónicas, similar a la de los turborreactores, pero los productos de la combustión luego se aceleran a través de una boquilla convergente-divergente hasta velocidades supersónicas. Como no tienen medios mecánicos de compresión, los estatorreactores no pueden arrancar desde parado y, por lo general, no alcanzan una compresión suficiente hasta el vuelo supersónico. La falta de turbomaquinaria compleja permite a los estatorreactores hacer frente al aumento de temperatura asociado con la desaceleración de un flujo supersónico a velocidades subsónicas. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, la energía interna del flujo después del difusor crece rápidamente, por lo que la adición relativa de energía debido a la combustión del combustible se vuelve menor, lo que lleva a una disminución de la eficiencia del motor. Esto conduce a una disminución del empuje generado por los estatorreactores a velocidades más altas. [39]
Por lo tanto, para generar empuje a velocidades muy altas, se debe controlar estrictamente el aumento de presión y temperatura del flujo de aire entrante. En particular, esto significa que no se puede permitir la desaceleración del flujo de aire a una velocidad subsónica. En tal configuración, no sólo la mezcla de combustible con aire presenta un desafío de ingeniería, sino que también la velocidad de combustión en mezclas de aire y combustible se convierte en una preocupación. Además, se debe maximizar el aumento relativo de la energía interna en la cámara de combustión. En consecuencia, la tecnología actual de scramjet 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 . [40]
Todos los motores scramjet tienen una admisión 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 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 el incendio. 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 ampliar el rango de funcionamiento del motor.
Las imágenes de ondas de choque realizadas por 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, de manera muy similar al cono de choque de un Ramjet. Las imágenes mostraron que cuanto mayor era el flujo de combustible y la combustión, más ondas de choque se formaban delante de la cámara de combustión, que desaceleraba y comprimía el aire antes de la ignición. [41]
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Un scramjet recuerda a un ramjet . En un ramjet típico, el flujo supersónico 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 total de presión que limita el punto superior de funcionamiento de un motor estatorreactor.
Para un scramjet, la energía cinética del aire libre que entra en el 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 posible liberación de calor de la combustión serán iguales en aproximadamente Mach 8. Por lo tanto, el diseño de un motor scramjet 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 del flujo libre de la cámara de combustión. La estrangulación de la entrada a la tobera 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 combustible y tener tiempo suficiente para iniciarse y reaccionar, mientras viaja supersónicamente 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 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
Para mantener constante la velocidad de combustión del combustible, la presión y la temperatura en el motor también deben ser constantes. Esto es problemático porque los sistemas de control del flujo de aire que facilitarían esto no son físicamente posibles en un vehículo de lanzamiento scramjet debido al gran rango de velocidad y altitud involucrado, 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 un ritmo específico a medida que acelera para mantener una presión de aire constante en la entrada. Este perfil óptimo de ascenso/descenso se denomina "vía de presión dinámica constante". Se cree que los scramjets podrían funcionar hasta una altitud de 75 km. [42]
La inyección y gestión de combustible también son potencialmente complejas. Una posibilidad sería que el combustible sea presurizado a 100 bares mediante una bomba turbo, calentado por el fuselaje, enviado a través de la turbina y acelerado a velocidades más altas que el aire mediante una boquilla. Las corrientes de aire y combustible se cruzan en una estructura en forma de peine, lo que genera una gran interfaz. Las turbulencias debidas a la mayor velocidad del combustible provocan 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 finalice antes de que el aire salga por la parte trasera del motor. Además, para que se le llame scramjet, el flujo comprimido debe seguir siendo supersónico después de la combustión. Aquí se deben observar dos límites: primero, dado que cuando se comprime un flujo supersónico se desacelera, el nivel de compresión debe ser lo suficientemente bajo (o la velocidad inicial lo suficientemente alta) para no desacelerar el gas por debajo de Mach 1. Si el gas dentro de un scramjet desciende por debajo de Mach 1, el motor se "ahogará", pasando a flujo subsónico en la cámara de combustión. Este efecto es bien conocido entre los experimentadores de los scramjets, ya que las ondas provocadas por la asfixia son fácilmente observables. Además, el aumento repentino de presión y 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 a Mach 1 de esta manera se denomina "asfixia térmica". Está claro que un scramjet puro puede funcionar con números de Mach de 6 a 8, [43] pero en el límite inferior, depende de la definición de scramjet. Hay diseños de motores en los que un estatorreactor se transforma en un scramjet en el rango de Mach 3 a 6, conocidos como scramjets de modo dual. [44] Sin embargo, en este rango, el motor todavía recibe 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 los scramjet. Gran parte del trabajo experimental con scramjets se ha llevado a cabo 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 [45] ), las instalaciones de almacenamiento calentadas, 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 demostró la relevancia de la simulación 1:1 de las condiciones en los túneles de choque T4 y HEG, a pesar de contar con modelos fríos y un tiempo de prueba corto. Las pruebas NASA -CIAM proporcionaron una verificación similar para la instalación C-16 V/K del CIAM y se espera que el proyecto Hyper-X proporcione una verificación similar para Langley AHSTF, [46] CHSTF, [47] y 8 pies (2,4 m) HTT. .
La dinámica de fluidos computacional ha aparecido recientemente [ ¿cuándo? ] alcanzó una posición para hacer cálculos razonables para resolver problemas de operación de scramjet. El modelado de capas límite, la mezcla turbulenta, el flujo de dos fases, la separación de flujos y la aerotermodinámica de gas real siguen siendo problemas de vanguardia en CFD. Además, el modelado de la combustión cinéticamente limitada con especies de reacción muy rápida, como el hidrógeno, exige severamente los recursos informáticos. [48] Los esquemas de reacción son numéricamente rígidos y requieren esquemas de reacción reducidos. [ se necesita aclaración ]
Gran parte de la experimentación con scramjets sigue estando 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 reivindicado demostraciones exitosas de la tecnología scramjet. Dado que estos resultados no se han publicado abiertamente, siguen sin verificarse y aún no existe un método de diseño final para los motores scramjet.
Es probable que la aplicación final de un motor scramjet sea junto con motores que puedan funcionar fuera del rango operativo del scramjet. [ cita necesaria ] Los scramjets de modo dual combinan la combustión subsónica con la 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 ampliar el rango operativo de un scramjet a velocidades más altas o presiones dinámicas de admisión más bajas de lo que sería posible de otra manera.
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 que respira aire vuela de manera óptima una "trayectoria deprimida", permaneciendo dentro de la atmósfera a velocidades hipersónicas. Debido a que los scramjets sólo tienen relaciones empuje-peso mediocres, [50] la aceleración sería limitada. Por lo tanto, el tiempo en la atmósfera a velocidad supersónica sería considerable, posiblemente entre 15 y 30 minutos. Al igual que un vehículo espacial que reingresa , el aislamiento térmico sería una tarea formidable, y se requeriría una protección por una duración mayor 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 a menudo planean un "enfriamiento activo", donde el refrigerante que circula por la piel del vehículo evita que se desintegre. A menudo, el refrigerante es el combustible mismo, de la misma manera que los cohetes modernos utilizan su propio combustible y oxidante como refrigerante para sus motores. Todos los sistemas de refrigeración añaden 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 ganancia de rendimiento.
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 de combustible al despegue) y la complejidad del motor (peso seco al despegue), que se puede expresar de la siguiente manera:
Dónde :
Un scramjet aumenta la masa del motor respecto a un cohete y disminuye la masa del combustible . Puede ser difícil decidir si esto resultará en un aumento (lo que sería un aumento de la carga útil entregada a un destino para un peso de despegue constante del vehículo). La lógica detrás de los esfuerzos por conducir 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 añade 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 sobre la eficiencia o la 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. La resistencia de la configuración total se puede considerar como la suma de la resistencia del vehículo ( ) y la resistencia de la instalación del motor ( ). La resistencia de la instalación resulta tradicionalmente de los pilones y del flujo acoplado debido al chorro del motor, y es función del ajuste del acelerador. Por eso a menudo se escribe como:
Dónde:
Para un motor fuertemente integrado en la carrocería aerodinámica, puede ser más conveniente pensar en ( ) como la diferencia en resistencia respecto a una configuración base conocida.
La eficiencia global del motor se puede representar como un valor entre 0 y 1 ( ), en términos del impulso específico del motor:
Dónde:
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 en los motores que respiran aire, por lo que el impulso específico se utiliza menos en la literatura. Tenga en cuenta que para un motor que respira aire, ambos y son función de la velocidad.
El impulso específico de un motor de cohete es independiente de la velocidad, y los valores habituales 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 alrededor de 1200 s, [ cita necesaria ] aunque los valores en la literatura varían. [ cita necesaria ]
Para el caso simple de un vehículo de una sola etapa, la fracción de masa de combustible se puede expresar como:
Donde esto puede expresarse para la transferencia a órbita en una sola etapa como:
o para vuelo atmosférico nivelado desde el lanzamiento aéreo ( vuelo de misiles ):
¿Dónde está el rango ? Y el cálculo se puede expresar mediante la fórmula de rango de Breguet :
Dónde:
Esta formulación extremadamente simple, utilizada a efectos de discusión, supone:
Sin embargo, generalmente son válidos para todos los motores.
Un scramjet no puede producir un empuje eficiente a menos que se lo impulse a alta velocidad, alrededor de Mach 5, aunque dependiendo del diseño podría actuar como un estatorreactor 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 turborreactores son pesados y no pueden exceder fácilmente Mach 2-3, por lo que se necesitaría otro método de propulsión para alcanzar la velocidad de funcionamiento del scramjet. Podrían ser estatorreactores o cohetes . Estos también necesitarían su propio suministro, estructura y sistemas de combustible separados. En cambio, muchas propuestas exigen una primera etapa de propulsores de cohetes sólidos lanzables , lo que simplifica enormemente el diseño.
A diferencia de las instalaciones de sistemas de propulsión a reacción o cohetes que se pueden probar en tierra, las pruebas de diseños de scramjet utilizan cámaras de prueba hipersónicas extremadamente costosas 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 de la instrumentación.
Una ventaja de un vehículo hipersónico que respira aire (típicamente scramjet) como el X-30 es evitar o al menos reducir la necesidad de transportar 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 en 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 el transbordador 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 ligero en el despegue y posiblemente 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 utiliza este combustible se vuelve mucho más grande y ofrece más resistencia. [51] Otros combustibles tienen una densidad más comparable, como el RP-1 (810 kg/m 3 ), el JP-7 (densidad a 15 °C 779–806 kg/m 3 ) y la dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) (793,00 kg/m 3 ). 3 ).
Un problema es que se predice que los motores scramjet tendrán una relación empuje-peso excepcionalmente pobre , de alrededor de 2, cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. [52] Un cohete tiene la ventaja de que sus motores tienen relaciones empuje-peso muy altas (~100:1), mientras que el tanque para contener el oxígeno líquido también se acerca a una relación de volumen de ~100:1. Así, un cohete puede alcanzar una fracción de masa muy elevada , lo que mejora el rendimiento. Por el contrario, la relación empuje/peso proyectada para los motores scramjet de aproximadamente 2 significa que un porcentaje mucho mayor de la masa de despegue es el 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 costosas, voluminosas y propensas a fallas turbobombas de alto rendimiento 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. [ cita necesaria ]
Los scramjets podrían acelerar desde aproximadamente Mach 5 a 7 hasta aproximadamente entre la mitad de la velocidad orbital y la velocidad orbital (la investigación X-30 sugirió que Mach 17 podría ser el límite en comparación con una velocidad orbital de Mach 25, y otros estudios ponen la 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 hacia la órbita. Dado que el delta-V es moderado y la fracción de carga útil de los scramjets es alta, podrían ser aceptables cohetes de menor rendimiento, como propulsores sólidos, hipergólicos o simples propulsores de combustible líquido.
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). [53] 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). [54]
La parte inferior resistente al calor del scramjet funciona potencialmente como su sistema de reentrada si se visualiza un vehículo de una sola etapa en órbita que utiliza enfriamiento no ablativo y no activo. Si se utiliza un blindaje ablativo en el motor, probablemente no podrá utilizarse después del ascenso a la órbita. Si se utiliza refrigeración activa con el combustible como refrigerante, la pérdida de todo el combustible durante el encendido hasta la órbita también significará la pérdida de toda la refrigeración del sistema de protección térmica.
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 mayor que el del 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 tantas veces como sea necesario; 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 coste final de dicho vehículo es objeto de intenso debate [ ¿por quién? ] 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 del mismo peso de despegue para ser igualmente rentable (si el scramjet es un vehículo no reutilizable). [ cita necesaria ]
Los vehículos de lanzamiento espacial pueden o no beneficiarse de tener una etapa scramjet. En teoría, una etapa scramjet de un vehículo de lanzamiento proporciona un impulso específico de 1000 a 4000 s, mientras que un cohete proporciona menos de 450 s mientras está en la atmósfera. [52] [55] Sin embargo, el impulso específico de un scramjet disminuye rápidamente con la velocidad y el vehículo sufriría una relación de elevación a resistencia relativamente baja .
La relación empuje-peso instalada de los scramjets se compara muy desfavorablemente con la de 50-100 de un motor de cohete típico. Esto se compensa en los scramjets en parte porque el peso del vehículo sería transportado por la sustentación aerodinámica en lugar de la pura potencia del cohete (lo que reduce las ' pérdidas de gravedad '), [ cita necesaria ] pero los scramjets tardarían mucho más en llegar a la órbita debido a la menor empuje que contrarresta en gran medida la ventaja. El peso de despegue de un vehículo scramjet se reduce significativamente respecto al de un cohete, debido a la falta de oxidante a bordo, pero aumenta debido a los requisitos estructurales de los motores más grandes y pesados.
Si este vehículo podría ser reutilizable o no es todavía un tema de debate e investigación.
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 dentro de un vuelo de 90 minutos. Sin embargo, existen dudas sobre si un vehículo de este tipo podría transportar suficiente combustible para realizar viajes largos y útiles. Además, algunos países prohíben o penalizan a los aviones de pasajeros y otras aeronaves civiles que crean explosiones sónicas . (Por ejemplo, en los Estados Unidos, las regulaciones de la FAA prohíben los vuelos supersónicos sobre tierra en aeronaves civiles. [56] [57] [58] )
Se ha propuesto un 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. [59]
Un scramjet tiene una relación empuje-peso muy pobre (~2).
Figura 9-10, página 20
![{\displaystyle \Pi _{\text{f}}=1-\exp \left[-{\frac {\left({\frac {V_{\text{initial}}^{2}}{2}} -{\frac {V_{i}^{2}}{2}}\right)+\int {g}\,dr}{\eta _{0}h_{\text{PR}}\left(1 -{\frac {D+D_{\text{e}}}{F}}\right)}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8135a72107646080c023a64c7c5bb92ab0a9413c)
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![{\displaystyle \Pi _{\text{f}}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}R}{\eta _{0}h_{\text{PR}}\left( 1-\phi _{\text{e}}\right){\frac {C_{\text{L}}}{C_{\text{D}}}}}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a55f8c37d2a2e5a86065f105362c91be6f759ee)
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )