Un motor de detonación rotativa ( RDE ) utiliza una forma de combustión con aumento de presión , en la que una o más detonaciones viajan continuamente alrededor de un canal anular . Las simulaciones computacionales y los resultados experimentales han demostrado que el RDE tiene potencial en el transporte y otras aplicaciones. [1] [2]
En la combustión detonativa, el frente de llama se expande a velocidad supersónica . Teóricamente, es más eficiente que la combustión deflagratoria convencional en hasta un 25 %. [3] Tal aumento de eficiencia proporcionaría importantes ahorros de combustible. [4] [5]
Las desventajas incluyen inestabilidad y ruido.
El concepto básico de un RDE es una onda de detonación que viaja alrededor de un canal circular (anillo). El combustible y el oxidante se inyectan en el canal, normalmente a través de pequeños orificios o ranuras. Se inicia una detonación en la mezcla de combustible y oxidante mediante algún tipo de encendedor. Una vez que se pone en marcha el motor, las detonaciones son autosostenibles. Una detonación enciende la mezcla de combustible y oxidante, que libera la energía necesaria para sostener la detonación. Los productos de la combustión se expanden fuera del canal y son expulsados del mismo por el combustible y el oxidante entrantes. [2]
Aunque el diseño del RDE es similar al del motor de detonación de pulso (PDE), el RDE es superior porque las ondas circulan alrededor de la cámara, mientras que el PDE requiere que las cámaras se purguen después de cada pulso. [6]
Varias organizaciones trabajan en RDE.
En 2023, GE demostró un sistema de ciclo combinado basado en turbina de laboratorio (TBCC) a escala inferior que combinaba un turbofán de clase Mach 2,5 con un estatorreactor de modo dual con detonación rotativa (RD-DMRJ). La prueba se realizó 18 meses después del lanzamiento del programa. La empresa informó de detonaciones rotativas de una mezcla de aire y combustible comprimido en presencia del flujo de aire supersónico necesario para velocidades superiores a Mach 5. [7]
DARPA está trabajando con RTX en Gambit, investigando la aplicación de motores de detonación rotatoria para misiles supersónicos lanzados desde el aire. [8] [9] DARPA también está trabajando con Venus Aerospace, que probó con éxito su motor RDRE en marzo de 2024. [10]
La Marina de los Estados Unidos ha estado impulsando el desarrollo. [11] Los investigadores del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) tienen un interés particular en la capacidad de los motores de detonación como el RDE para reducir el consumo de combustible de sus barcos. [12] [11] Aún deben superarse varios obstáculos para poder utilizar el RDE en el campo. A partir de 2012, los investigadores del NRL se centraron en comprender mejor cómo funciona el RDE. [13]
Desde 2010, Aerojet Rocketdyne ha realizado más de 520 pruebas de múltiples configuraciones. [14]
Daniel Paxson [15] del Centro de Investigación Glenn utilizó simulaciones en dinámica de fluidos computacional (CFD) para evaluar el marco de referencia de detonación del RDE y comparar el rendimiento con el del PDE. [16] Encontró que un RDE puede funcionar al menos al mismo nivel que un PDE. Además, descubrió que el rendimiento del RDE se puede comparar directamente con el del PDE, ya que su rendimiento era esencialmente el mismo.
El 25 de enero de 2023, la NASA informó que había probado con éxito su primer motor de cohete de detonación rotatoria (RDRE) a gran escala. Este motor produjo 4000 lbf (18 kN) de empuje. La NASA ha declarado su intención de crear una unidad de empuje de 10 000 libras de fuerza (44 kN) como siguiente paso de investigación. [17] El 20 de diciembre de 2023, se informó que la cámara de combustión de un motor de cohete de detonación rotatoria a gran escala se encendió durante 251 segundos, logrando más de 5800 libras de fuerza (26 kN) de empuje. El video del banco de pruebas capturado en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, EE. UU., demostró la ignición. [18]
Según el viceprimer ministro ruso , Dmitry Rogozin , a mediados de enero de 2018 la empresa NPO Energomash completó la fase de prueba inicial de un RDE de propulsante líquido de clase 2 toneladas y planea desarrollar modelos más grandes para su uso en vehículos de lanzamiento espacial. [19]
En mayo de 2016, un equipo de investigadores afiliados a la Fuerza Aérea de EE. UU. desarrolló un motor de cohete de detonación rotatorio que funciona con oxígeno líquido y gas natural como propulsores. [20] Se realizaron pruebas RDE adicionales en la Universidad de Purdue , incluido un artículo de prueba llamado "Plataforma de detonación para mediciones experimentales ópticas, no intrusivas (DRONE)", un experimento de canal de detonación lineal semi-acotado "sin envolver". [21] IN Space LLC, en un contrato con la Fuerza Aérea de EE. UU ., probó un motor de cohete de detonación rotatorio (RDRE) de 22 000 N (4900 lbf) de empuje mientras realizaba pruebas con oxígeno líquido y metano gaseoso en la Universidad de Purdue en 2021. [22]
En mayo de 2020, un equipo de investigadores de ingeniería afiliados a la Fuerza Aérea de EE. UU. afirmó haber desarrollado un modelo de motor de detonación rotatoria altamente experimental capaz de producir 200 lbf (890 N) de empuje operando con una mezcla de combustible de hidrógeno y oxígeno. [23]
En 2021, el grupo demostró un motor de onda de detonación oblicua con un ángulo de rampa de 30 grados. [24] [25]
El 26 de julio de 2021 (UTC), la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) logró probar el RDE en el espacio por primera vez en el mundo al lanzar el cohete sonda S-520-31 equipado con un RDE de clase 500 N en la segunda etapa. [26] El motor utilizó metano gaseoso y oxígeno como propulsores, generando un empuje promedio de 518 N y entregando 290 segundos de impulso específico . La combustión rotatoria también creó un par de 0,26 N·m, por lo que se utilizó un motor de detonación de pulso en forma de S para reducir el giro de la etapa. [27] [28]
El 15 de septiembre de 2021, el Instituto de Aviación de Varsovia realizó la primera prueba de vuelo exitosa de un cohete experimental propulsado por un motor de cohete de detonación rotativa, alimentado por propulsores líquidos . La prueba tuvo lugar el 15 de septiembre de 2021 en el campo de pruebas del Instituto Militar de Tecnología de Armamento en Zielonka, cerca de Varsovia, en Polonia. El motor del cohete, según el plan, funcionó durante 3,2 s, acelerando el cohete a una velocidad de unos 90 m/s, lo que permitió que el cohete alcanzara una altitud de 450 m. [29]
En 2023, los investigadores anunciaron una unidad de demostración de un motor híbrido de respiración de aire. Combina un RDE continuo para propulsión por debajo de Mach 7 con un motor de detonación oblicua para su uso a velocidades de hasta Mach 16. Las ondas de detonación oblicuas son estacionarias y estabilizadas. BPMI es el principal fabricante de estatorreactores de China. [30]
A principios de 2023, China logró el primer vuelo de un dron RDE del mundo. El dron voló con éxito en un aeródromo no revelado en la provincia de Gansu . El motor de detonación rotatoria FB-1 fue desarrollado conjuntamente por el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de la Universidad de Chongqing y la empresa privada Thrust-to-Weight Ratio Engine (TWR). [30]
Otros experimentos han utilizado procedimientos numéricos para comprender mejor el campo de flujo del RDE. [31] En 2020, un estudio de la Universidad de Washington exploró un dispositivo experimental que permitía controlar parámetros como el ancho del anillo. Utilizando una cámara de alta velocidad, los investigadores pudieron verlo funcionando en cámara extremadamente lenta. Basándose en eso, desarrollaron un modelo matemático para describir el proceso. [32]
En 2021, el Instituto de Mecánica de la Academia China de Ciencias probó con éxito el primer motor de onda de detonación hipersónica del mundo impulsado por queroseno , que podría propulsar un avión a Mach 9. [33]
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