Los cohetes aumentados por aire utilizan el escape supersónico de algún tipo de motor de cohete para comprimir aún más el aire recolectado por efecto de ariete durante el vuelo para usarlo como masa de trabajo adicional , lo que genera un mayor empuje efectivo para cualquier cantidad dada de combustible que el cohete o un estatorreactor solos. [1]
Representa una clase híbrida de motores cohete/estatorreactor, similar a un estatorreactor , pero capaz de proporcionar un empuje útil desde velocidad cero, y también puede en algunos casos operar fuera de la atmósfera, con una eficiencia de combustible no peor que la de un estatorreactor o un cohete comparables en todo punto.
Hay una amplia variedad de variaciones sobre el concepto básico y una amplia variedad de nombres resultantes. Aquellos que queman combustible adicional después del cohete generalmente se conocen como ramrockets, cohete-eyector, cohete/ramjets integrales o ramjets eyectores, mientras que aquellos que no incluyen combustión adicional se conocen como cohetes entubados o cohetes envueltos, dependiendo de los detalles del expansor. [2]
En un motor de cohete químico convencional, el cohete lleva tanto el combustible como el 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 de la cámara de combustión del cohete. La reacción también es muy enérgica (exotérmica) y libera una enorme energía en forma de calor; esta se transmite a los productos reactivos en la cámara de combustión, lo que le da a esta masa una enorme energía interna que, cuando se expande a través de una tobera, es capaz de producir velocidades de escape muy altas. El escape se dirige hacia atrás a través de la tobera, lo que produce un empuje hacia adelante.
En este diseño convencional, la mezcla de combustible y oxidante es a la vez la masa de trabajo y la fuente de energía que la acelera. Es fácil demostrar que el mejor rendimiento se obtiene si la masa de trabajo tiene el menor peso molecular posible. [3] El hidrógeno, por sí solo, es el mejor combustible teórico para cohetes. Mezclarlo con oxígeno para quemarlo reduce el rendimiento general del sistema al aumentar la masa del escape, así como también al aumentar en gran medida la masa que debe transportarse en el aire (el oxígeno es mucho más pesado que el hidrógeno).
Un método posible para aumentar el rendimiento general del sistema es recolectar el combustible o el oxidante durante el vuelo. El combustible es difícil de conseguir en la atmósfera, pero el oxidante en forma de oxígeno gaseoso constituye hasta el 20% del aire. Hay varios diseños que aprovechan este hecho. Este tipo de sistemas se han explorado en el motor de ciclo aire-líquido (LACE).
Otra idea es recolectar la masa de trabajo. En un cohete reforzado con aire, se monta un motor de cohete convencional en el centro de un tubo largo, abierto por delante. A medida que el cohete se mueve a través de la atmósfera, el aire entra por la parte delantera del tubo, donde se comprime mediante el efecto de ariete. A medida que avanza 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 utilizando el mismo combustible en un diseño aumentado con aire se puede mejorar este valor a más de 500 segundos (4,9 kN·s/kg), una cifra que no se puede igualar ni siquiera con los motores Hydrolox de alto impulso específico. Este diseño puede ser incluso ligeramente más eficiente que un estatorreactor , ya que el escape del motor del cohete ayuda a comprimir el aire más de lo que lo haría normalmente un estatorreactor; esto aumenta la eficiencia de la combustión ya que se puede emplear una tobera más larga y eficiente. Otra ventaja es que el cohete funciona incluso a velocidad cero hacia delante, mientras que un estatorreactor requiere movimiento hacia delante para introducir aire en el motor.
Se podría pensar que un aumento de rendimiento de este tipo se implementaría ampliamente, pero varios problemas lo impiden con frecuencia. Las entradas de aire de los motores de alta velocidad son difíciles de diseñar y requieren una colocación cuidadosa en el fuselaje para lograr un rendimiento razonable; en general, todo el fuselaje debe construirse en torno al diseño de la entrada de aire. Otro problema es que el aire se vuelve más escaso 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. Por último, los conductos de aire añaden bastante peso, lo que ralentiza considerablemente el vehículo hacia el final de la combustión.
La versión más simple de un sistema de aumento de aire se encuentra en el cohete envuelto. Este consiste principalmente en uno o más motores de cohete colocados en un conducto. El escape del cohete arrastra el aire, arrastrándolo 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 expansiva. [2]
El cohete entubado, una ligera variación del cohete envuelto, solo añade una tobera convergente-divergente . Esto garantiza que la combustión se lleve a cabo a velocidades subsónicas, lo que mejora 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 entubado y conducido, 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 expandida. El escape de esa combustión luego ingresa a una tobera convergente-divergente como en un estatorreactor convencional o en el caso del cohete conducido. [2]
El primer [4] intento serio de fabricar un cohete de producción mejorado con tecnología aérea 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 ha reexaminado una tecnología similar para el programa GTX como parte de un esfuerzo por desarrollar la nave espacial SSTO . [5]
Los cohetes mejorados con tecnología aérea finalmente entraron en producción en masa en 2016, cuando se puso en servicio el misil aire-aire Meteor .