Space Engine Systems Inc. ( SES ) es una empresa aeroespacial canadiense y está ubicada en Edmonton , Alberta , Canadá . [1] El enfoque principal de la empresa es el desarrollo de un sistema de propulsión multicombustible ligero (motor DASS) para impulsar un avión espacial reutilizable y un vehículo de crucero hipersónico . Las bombas , compresores , cajas de cambios y otras tecnologías relacionadas que se están desarrollando se integran en los principales proyectos de I+D de SES. SES ha colaborado con la Universidad de Calgary para estudiar y desarrollar tecnologías en áreas técnicas clave de nanotecnología y aerodinámica de alta velocidad .
Space Engines Systems Inc. se estableció en 2012 para desarrollar el motor DASS y tecnologías relacionadas en el sector aeroespacial. Los promotores de Space Engine Systems han estado involucrados en el desarrollo del motor durante más de 20 años. [2] trabajan juntos para llevar bombas, compresores y sistemas de caja de cambios novedosos a la industria aeroespacial como aplicaciones derivadas. El 10 de mayo de 2012, SES anunció públicamente el lanzamiento de su empresa en el Salón Aeronáutico de Farnborough (del 9 al 15 de julio de 2012). [3] El 6 de agosto, anunciaron su participación en Unmanned Systems North America de AUVSI. [4] SES asiste con frecuencia a las principales ferias comerciales internacionales del sector aeroespacial, incluidas la feria aeronáutica de París en 2013, 2015 y 2017 y la feria aeronáutica de Farnborough en 2014, 2016 y 2024.
El motor DASS es un concepto de propulsión de ciclo combinado preenfriado que puede producir empuje en una amplia gama de números de Mach de vuelo del vehículo (desde reposo hasta hipersónico ). Los derivados del motor se pueden utilizar para la propulsión de un vehículo SSTO , misiles de largo alcance y aviones de transporte hipersónicos . El motor se está desarrollando con la flexibilidad para varios vehículos y perfiles de misión. El concepto utiliza tecnologías aeroespaciales existentes, incluidos componentes de turbinas de gas convencionales, y nuevos desarrollos en nanotecnología para superar algunos de los obstáculos técnicos clave asociados con el sobrecalentamiento y el almacenamiento de combustible. En el vuelo de alta velocidad , el aire entrante tiene una presión dinámica muy alta y la desaceleración aerodinámica da como resultado un aumento de la presión estática y la temperatura . Las temperaturas pueden aumentar por encima de los límites materiales de las palas del compresor en un turborreactor convencional . Una estrategia para aliviar este problema es colocar un intercambiador de calor aguas abajo de la entrada para reducir las temperaturas del gas antes de la compresión mecánica. De manera similar al turborreactor de refrigeración profunda [5] o al motor de ciclo de aire licuado ( LACE ), la energía extraída del aire entrante en el motor DASS se agrega nuevamente al sistema aguas abajo como calor sensible en la corriente de combustible.
El concepto de motor DASS mejora el proceso de intercambio de calor de múltiples maneras. Se colocan nano-recubrimientos superficiales [6] en los intercambiadores de calor internos para mejorar las tasas de transferencia de calor por convección , reducir la masa del intercambiador de calor y reducir el bloqueo aerodinámico no deseado. Se introducen nanopartículas metálicas en el aire de admisión desde el cono de entrada para mejorar aún más la transferencia de calor. Las partículas actúan como combustible complementario y ayudan al funcionamiento de los dispositivos de control de flujo aguas abajo. Se sabe que los combustibles metálicos tienen propiedades de almacenamiento deseables en comparación con el hidrógeno y tienen excelentes densidades de energía en términos de volumen. [7] Se está considerando una combinación de hidrógeno y nanopartículas de boro como combustible del motor.
La principal ventaja del motor DASS sobre los motores de cohetes convencionales para el vuelo de alta velocidad es el uso de oxígeno atmosférico en su modo de respiración de aire. El impulso específico ( I sp ) de los motores de respiración de aire es superior a los cohetes en un amplio rango de números de Mach . Estas ganancias tienen el potencial de lograr una fracción de masa de carga útil mayor (por ejemplo, 4% para NASP a LEO [8] frente a 2,6% para Soyuz-2 a LEO ). La mayor I sp asociada con los motores de respiración de aire es una motivación importante para el desarrollo de motores estatorreactores de combustión supersónica . Los motores de respiración de aire suelen tener una relación empuje-peso menor en comparación con los cohetes. Es por eso que el motor DASS se integrará en un vehículo de carrocería sustentadora. Para un vehículo SSTO, la masa reducida del vehículo y el aumento de la fracción de masa de carga útil se traducen en menores costos de operación. [9] Para el transporte, la capacidad de viajar a velocidades hipersónicas reduce drásticamente el tiempo necesario para cubrir largas distancias. La altitud a la que operan los vehículos de crucero hipersónicos suele ser mucho mayor que la de los transportadores convencionales (30 km para el A2 [10] frente a los 13,1 km del A380 ). La menor densidad del aire a estas altitudes más altas reduce la resistencia general del vehículo, lo que mejora aún más la eficiencia. La investigación y el desarrollo actuales se centran en el funcionamiento del motor en crucero de Mach 5 a una altitud de 30 km. Tenga en cuenta que 30 km sigue siendo significativamente menor que lo que se considera el borde del espacio ( 100 km ) y mucho menor que la órbita terrestre baja (~200 km). Por lo tanto, para que el motor DASS funcione más allá de los 30 km objetivo y las condiciones de funcionamiento de Mach 5, se modificará el diseño. A altitudes mayores, la densidad del aire disminuye y el vehículo debe viajar más rápido para lograr una captura de masa de entrada suficiente. A altitudes aún mayores, el motor DASS necesitará almacenar oxidante a bordo para ser utilizado con un motor de cohete en su trayectoria de flujo. El objetivo es lograr un componente principal de la velocidad orbital cuando opera en el modo de respiración de aire antes de cambiar al modo cohete.
A bajas velocidades de vuelo, el motor DASS depende únicamente del turborreactor de a bordo que funciona con un combustible de hidrocarburo convencional. La admisión de geometría variable (patente pendiente del PCT) permite que se formen grandes espacios entre el intercambiador de calor (que no está funcionando en esta etapa), lo que minimiza las pérdidas de presión de admisión. Durante este modo, la derivación se cierra y todo el aire se procesa a través del núcleo del turborreactor. La tobera de escape (patente pendiente del PCT) se contrae en el modo subsónico para un empuje específico óptimo. A medida que el motor acelera a velocidades supersónicas, las partes articuladas de la admisión dirigen el flujo hacia el intercambiador de calor (patente pendiente del PCT). El combustible de hidrógeno líquido pasa a través del intercambiador de calor, lo que reduce la temperatura del aire antes de la compresión del motor. Parte del aire pasa por alto el núcleo del turborreactor y se mezcla con el hidrógeno que sale del intercambiador de calor en la sección de postcombustión. Tenga en cuenta que la magnitud de la transferencia de calor está acoplada a la cantidad de hidrógeno disponible para la combustión en el postquemador. Luego, los productos de la combustión se expanden a través de una tobera supersónica, una tobera de geometría variable. El motor estará diseñado para consumir completamente el aire para optimizar el empuje. El nivel de derivación cambia a lo largo del régimen de vuelo supersónico. El motor puede operar a Mach 4 y proporcionar un empuje superior al de un estatorreactor convencional. A números de Mach altos (~4,88) el aire no se puede enfriar por debajo del límite del turborreactor (1200 K). Como resultado, no puede producirse combustión en el turborreactor central y el motor debe pasar a un modo estatorreactor puro. La entrada variable continúa articulándose (patente PCT pendiente) para bloquear completamente el acceso de aire al turborreactor, al tiempo que optimiza las relaciones de área de entrada a salida para la combustión del estatorreactor utilizando hidrógeno. El motor aún obtiene un aumento de eficiencia de los efectos de enfriamiento del intercambiador de calor (aunque mucho menos en este modo). La velocidad de vuelo terminal está limitada a la de un estatorreactor alimentado con hidrógeno.
Los objetivos de los motores DASS GN X y DASS GN1 son proporcionar un empuje eficiente desde el reposo hasta velocidades hipersónicas (M~5) y grandes altitudes (h~30 km) con un bajo consumo específico de combustible a lo largo de toda la trayectoria de vuelo, y una pequeña etapa de cohete para poner el vehículo en órbita. El motor funcionará con múltiples combustibles (hidrógeno, hidrocarburos y combustibles metálicos). Cada tipo de combustible tiene una ventaja. El combustible de hidrocarburos se utiliza normalmente en motores turborreactores/turbofán, que se consideran tecnología madura/convencional. Este motor proporcionará empuje a bajas velocidades. El hidrógeno tiene una gran capacidad térmica (~14 kJ/kgK), [11] por lo que es un excelente disipador de calor para el intercambiador de calor (patente pendiente). También tiene el mejor contenido de energía por unidad de masa de cualquier combustible y es una molécula ligera. Como resultado, puede proporcionar grandes niveles de empuje con un bajo consumo específico de combustible. El combustible metálico tiene excelentes cualidades de almacenamiento, alto contenido de energía por unidad de volumen y puede ayudar en la transferencia de calor por convección. También tiene buenas propiedades de combustión a escala nanométrica.
Los componentes tecnológicos clave del DASS GN 1 y del DASS GN X son bastante similares. El DASS GN1 está destinado exclusivamente a la industria aeroespacial y el DASS GN X está destinado únicamente a aplicaciones espaciales. Está previsto un prototipo de motor para pruebas en tierra y en vuelo.
La siguiente tabla muestra una comparación del motor DASS con motores de alta velocidad más convencionales (Ramjet) a dos números de Mach. Se consideraron dos tipos de Ramjets. El primer Ramjet utiliza una combinación de combustibles (queroseno e hidrógeno) en proporciones similares a las del motor DASS. El segundo Ramjet utiliza hidrógeno puro. Está claro que a un número de Mach más bajo, el motor DASS proporciona un empuje específico mayor. Esto se debe a la mayor presión que puede utilizar el turborreactor. A Mach 4, el DASS GN1 funciona de manera similar a un estatorreactor. A esta velocidad, el motor DASS GN1 probablemente se convertiría en un estatorreactor puro. Las especificaciones enumeradas no incluyen ninguna ganancia que pueda lograrse mediante la transferencia de calor en el cono de admisión (patente PCT pendiente) o de la combustión de combustible metálico. Un impulso específico típico de un cohete es de entre 250 y 500 segundos.
Space Engine Systems está desarrollando una instalación de pruebas terrestres capaz de simular el flujo de entrada a alta temperatura a grandes altitudes asociadas con el vuelo supersónico. La instalación, denominada instalación de pruebas de motores a reacción multicombustibles, es altamente modular y se puede adaptar fácilmente para muchas aplicaciones. La instalación incluye:
• Sistema de conexión directa para suministrar flujo de aire de alta temperatura al motor para simular un flujo de aire supersónico hasta Mach 5.
• Sistema de combustible para suministrar múltiples combustibles al motor, incluido hidrógeno líquido, combustible para aviones y nanopartículas sólidas.
• Suite de medición para permitir la recopilación y análisis de datos de todos los equipos probados.
La instalación de pruebas de motores a reacción multicombustibles se puede utilizar para comprender mejor:
• Propulsión de ciclo combinado preenfriado
• Limitaciones de temperatura de varios materiales/componentes de motores de turbina
• Combustión de múltiples combustibles (combustibles convencionales, sólidos y para cohetes)
• Postquemadores multicombustibles
• Modos de arranque del motor a gran altitud
• Características de empuje a gran altitud.
• Control de relación de derivación
• Banco de pruebas de motores y mecanismos de montaje.
• Características de flujo
Uno de los principales retos es desarrollar una técnica para inyectar las nanopartículas de manera que se fomente una mezcla homogénea. En segundo lugar, caracterizar las propiedades de transferencia de calor de la mezcla fluida.
Solo se requiere una pequeña cantidad de nanopartículas para proporcionar las ganancias de transferencia de calor requeridas por el motor. Se encontró que incluso con cargas de masa muy pequeñas (0,1 %), se pueden lograr grandes ganancias en la transferencia de calor (40 %). [12] [13] Por lo tanto, es factible utilizar el hidrógeno disponible como portador para las partículas. Se debe tener cuidado para asegurar que el contenido de hidrógeno se mantenga por debajo del límite de inflamabilidad pobre para evitar la ignición descontrolada antes de llegar a la cámara de combustión. Se inyectará una mezcla de proporción de masa 1:1 de nanopartículas e hidrógeno en la corriente libre para lograr una carga de masa del 0,1 % de nanopartículas e hidrógeno en el aire. La mezcla inyectada enfriará el aire de la corriente libre de tal manera que se obtenga una ganancia en la presión de estancamiento a medida que el flujo se desacelera dentro del motor. No solo se produce transferencia de calor de las partículas al aire, sino que también se producirá transferencia de calor a lo largo de la superficie del cono de admisión.
Algunas nanopartículas superan al hidrógeno (por unidad de volumen) y a los hidrocarburos (por unidad de masa y volumen) en términos de almacenamiento de energía. Dos métricas importantes son la energía por unidad de masa y la energía por unidad de volumen. Los vehículos suelen diseñarse sobre la base de la unidad de volumen (por consideraciones de resistencia aerodinámica). [14] Sobre la base de la unidad de volumen, el boro supera tanto al hidrógeno como a los hidrocarburos. Sobre la base de la unidad de masa, el boro supera a los combustibles de hidrocarburos, pero no es tan bueno como el hidrógeno. Por lo tanto, los motores DASS aprovecharán las excelentes propiedades del boro junto con los combustibles de hidrocarburos e hidrógeno.
La estructura propuesta para el intercambiador de calor es una espuma nanoporosa. La espuma reforzará la estructura nanoporosa, a la vez que maximizará la transferencia de calor y minimizará la caída de presión. Esto, en combinación con el efecto adicional de la dispersión de nanopartículas, debería permitir un intercambiador de calor más pequeño.
Los principales obstáculos tecnológicos para el motor DASS están relacionados con la implementación de nanotecnología en los componentes del motor. En asociación con la Universidad de Calgary, SES evaluará la viabilidad de utilizar nanorrecubrimientos superficiales en los intercambiadores de calor, estudiará el efecto de las suspensiones de nanopartículas en la transferencia de calor por convección y evaluará la viabilidad de utilizar nanopartículas metálicas como combustible complementario. El Gobierno canadiense (a través de la financiación del NSERC) también es socio en el proyecto del motor DASS.
En la literatura científica se ha demostrado que recubrir un cuerpo sólido con nanopartículas mejora la tasa de transferencia de calor por convección de los cuerpos sólidos. [15] Se han propuesto varios mecanismos, incluido el aumento de la superficie total asociada con el nanorrecubrimiento. [16] Básicamente, es posible que las nanopartículas actúen como aletas a pequeña escala, que se sabe que mejoran la eficacia del intercambiador de calor. [17] Dado que estas aletas a escala nanométrica son pequeñas, la caída de presión también es mucho menor que en comparación con las pérdidas de presión de una aleta a gran escala. Esto reduce los requisitos de trabajo para bombear o comprimir el fluido a medida que pasa a través del intercambiador de calor. La presencia de rugosidad superficial asociada con los depósitos de nanopartículas también promueve la mezcla, lo que afecta directamente a la transferencia de calor por convección.
La suspensión de una gran cantidad de partículas sólidas de pequeña escala en un gas da como resultado una gran relación área superficial a volumen. Estudios en la literatura científica han demostrado que existe una interacción única entre las propiedades de las nanopartículas sólidas y las del fluido portador. [18] [19] El resultado, que no se observa con partículas de mayor escala (es decir, micrones), es la alteración de las propiedades del fluido a granel. Por ejemplo, Lee et al. (1999) y Wang et al. (1999) han demostrado, experimentalmente, que la suspensión de partículas de CuO de 24 y 23 nm de diámetro en agua mejora la conductividad térmica del agua en un 34%. SES investigará la posible mejora de la conductividad térmica de los gases con nanopartículas suspendidas.
Los polvos metálicos se han considerado como combustibles alternativos para motores de combustión interna debido a su gran contenido de energía por unidad de masa y por unidad de volumen en comparación con los combustibles de hidrocarburos líquidos. [7] Aunque el hidrógeno tiene un mayor contenido de energía por unidad de masa que los combustibles metálicos, el combustible de hidrógeno debe almacenarse a presiones muy altas, enfriarse criogénicamente o absorberse en otros materiales para acumular una cantidad práctica de masa. [20] Por el contrario, las partículas metálicas se pueden empaquetar y almacenar de manera eficiente y segura. Dado que la tasa general de combustión es proporcional al área de superficie, el uso de partículas de menor escala puede mejorar la combustión y aumentar el rendimiento del motor. [21] Se ha descubierto que las nanopartículas suelen tener un punto de fusión más bajo, se encienden a temperaturas más bajas y tienen una tasa de combustión más alta que las partículas de mayor escala. [22] Por lo tanto, se está considerando el uso de un combustible de partículas o un suplemento de partículas para un combustible convencional en el nuevo diseño de motor aeronáutico de SES.
En colaboración con el grupo de empresas CAN-K, SES ofrece una selección de componentes y servicios aeroespaciales. Toda la fabricación se realiza según las normas de gestión de calidad AS 9100 C e ISO 9001. Los productos incluyen:
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