Un estatorreactor ( ramjet de combustión supersónica ) es una variante de un motor a reacción estatorreactor en el que la combustión se produce en un flujo de aire supersónico . Al igual que en los estatorreactores, [1] un estatorreactor depende de la alta velocidad del vehículo para comprimir el aire entrante con fuerza antes de la combustión (de ahí el nombre de estatorreactor ), pero mientras que un estatorreactor desacelera el aire a velocidades subsónicas antes de la combustión utilizando conos de choque , un estatorreactor no tiene cono de choque y reduce la velocidad del 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 estatorreactor funcione de manera eficiente a velocidades extremadamente altas. [3]
Aunque los motores estatorreactores se han utilizado en un puñado de vehículos militares operativos, hasta ahora los estatorreactores se han demostrado principalmente en artículos de prueba de investigación y vehículos experimentales.
El Bell X-1 alcanzó el vuelo supersónico en 1947 y, a principios de los años 1960, el rápido progreso hacia aviones más rápidos sugirió que los aviones operativos volarían a velocidades "hipersónicas" en pocos años. A excepción de los vehículos de investigación de cohetes especializados como el North American X-15 y otras naves espaciales propulsadas por cohetes , las velocidades máximas de los aviones se han mantenido estables, generalmente en el rango de Mach 1 a Mach 3.
Durante el programa aeroespacial estadounidense, entre los años 1950 y mediados de los años 1960, Alexander Kartveli y Antonio Ferri fueron defensores del enfoque del estatorreactor.
En los años 1950 y 1960, se construyeron y probaron en tierra una variedad de motores estatorreactores experimentales en los EE. UU. y el Reino Unido. Antonio Ferri demostró con éxito un estatorreactor que producía empuje neto en noviembre de 1964, llegando a producir 517 libras-fuerza (2,30 kN), aproximadamente el 80% de su objetivo. En 1958, un artículo analítico analizó los méritos 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 terrestres T3 de la ANU. [6]
La primera prueba de vuelo exitosa de un estatorreactor se realizó como un esfuerzo conjunto con la NASA , sobre la Unión Soviética en 1991. Era un estatorreactor de modo dual propulsado por hidrógeno y axisimétrico desarrollado por el Instituto Central de Motores de Aviación (CIAM), Moscú a fines de la década de 1970, pero modernizado con una aleación de FeCrAl en un misil SM-6 modificado para lograr parámetros de vuelo iniciales de Mach 6.8, antes de que el estatorreactor volara a Mach 5.5. El vuelo del estatorreactor se realizó con carga cautiva sobre el misil tierra-aire SA-5 que incluía una unidad de soporte de vuelo experimental conocida como "Laboratorio de Vuelo Hipersónico" (HFL), "Kholod". [7]
Luego, entre 1992 y 1998, el CIAM realizó seis pruebas de vuelo adicionales del demostrador de estatorreactor de combustión supersónica axisimétrico de alta velocidad junto con Francia y luego con la NASA . [8] [9] Se logró una velocidad de vuelo máxima mayor que Mach 6,4 y se demostró el funcionamiento del estatorreactor 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 importantes en el desarrollo de la tecnología hipersónica, en particular en el campo de los motores estatorreactores.
El proyecto HyShot demostró la combustión con estatorreactor el 30 de julio de 2002. El motor estatorreactor funcionó de manera eficaz y demostró la combustión supersónica en acción. Sin embargo, el motor no fue diseñado para proporcionar empuje para propulsar una nave. Fue diseñado más o menos como un demostrador de tecnología. [10]
Un equipo conjunto británico y australiano de la compañía de defensa británica Qinetiq y la Universidad de Queensland fue el primer grupo en demostrar un estatorreactor funcionando en una prueba atmosférica. [11]
Hyper-X se adjudicó el primer vuelo de un vehículo propulsado por estatorreactor que produce empuje con superficies de maniobra aerodinámicas completas en 2004 con el X-43A . [12] [13] La última de las tres pruebas del estatorreactor 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 los Estados Unidos ( DARPA ), en cooperación con la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa de Australia (DSTO), anunció un exitoso vuelo de un estatorreactor a Mach 10 utilizando motores de cohete para impulsar el vehículo de prueba a velocidades hipersónicas. [15] [16]
Se realizó una serie de pruebas terrestres de estatorreactores en el Centro de Pruebas de Estatorreactores Calentados por Arco 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 albergó el primer vuelo de prueba exitoso de un avión hipersónico en HIFiRE (Experimentación Internacional de Investigación de Vuelo Hipersónico). El lanzamiento fue uno de los diez vuelos de prueba planeados. 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 los Estados Unidos, denominado HIFiRE. [18] HIFiRE está investigando la tecnología hipersónica y su aplicación a vehículos de lanzamiento espacial avanzados propulsados por estatorreactores; el objetivo es apoyar al nuevo demostrador de estatorreactores 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]
El 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 de 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 aerodinámica hipersónica. [21] El Waverider voló de forma autónoma antes de perder aceleración por una razón desconocida y destruirse a sí mismo como estaba previsto. La prueba fue declarada un éxito. El X-51A fue transportado a bordo de un B-52 , aceleró a Mach 4,5 a través de un cohete propulsor sólido y luego encendió el motor estatorreactor 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 hacer la transición a su combustible principal JP-7 , sin alcanzar la potencia máxima. [23]
El 16 de noviembre de 2010, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en la Academia de la Fuerza de Defensa de Australia demostraron con éxito que el flujo de alta velocidad en un motor estatorreactor que no se quema naturalmente se puede encender utilizando una fuente de láser pulsado. [24]
El 15 de agosto de 2012, una nueva prueba del X-51A Waverider fracasó. El intento de volar el estatorreactor durante un período prolongado a Mach 6 se vio interrumpido cuando, a tan solo 15 segundos de vuelo, la nave X-51A perdió el control y se desintegró, cayendo al océano Pacífico al noroeste de Los Ángeles. La causa del fracaso se atribuyó a una aleta de control defectuosa. [25]
En mayo de 2013, un Waverider X-51A alcanzó los 4.828 km/h (Mach 3,9) durante un vuelo de tres minutos con motor de combustión interna. El WaveRider fue lanzado a 50.000 pies (15.000 m) desde un bombardero B-52 y luego aceleró hasta Mach 4,8 mediante un cohete propulsor sólido que luego se separó antes de que el motor de combustión interna del WaveRider entrara en funcionamiento. [26]
El 28 de agosto de 2016, la agencia espacial india ISRO realizó una prueba exitosa de un motor estatorreactor en un cohete de dos etapas de combustible sólido. Se montaron dos motores estatorreactores en la parte posterior de la segunda etapa de un cohete de sondeo de dos etapas de combustible sólido llamado Advanced Technology Vehicle (ATV), que es el cohete de sondeo avanzado de ISRO. Los dos motores estatorreactores 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 estatorreactores se encendieron durante una duración de aproximadamente 5 segundos. [27] [28]
El 12 de junio de 2019, la India realizó con éxito la prueba de vuelo inaugural de su avión de demostración de estatorreactor no tripulado desarrollado localmente para vuelo a velocidad hipersónica desde una base de la isla Abdul Kalam en la Bahía de Bengala alrededor de las 11:25 am. La aeronave se llama Vehículo Demostrador de Tecnología Hipersónica . La prueba fue realizada por la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa . La aeronave forma 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 estatorreactor 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 , solo para ser revelados por un funcionario anónimo del Pentágono a principios de abril. [32] [33]
Los motores estatorreactores son un tipo de motor a reacción y dependen de la combustión de combustible y un oxidante para producir empuje. De manera similar a los motores a reacción convencionales, las aeronaves propulsadas por estatorreactores llevan el combustible a bordo y obtienen el oxidante mediante la ingestión de oxígeno atmosférico (a diferencia de los cohetes , que llevan tanto combustible como un agente oxidante ). Este requisito limita los estatorreactores a la propulsión atmosférica suborbital, donde el contenido de oxígeno del aire es suficiente para mantener la combustión.
El estatorreactor se compone de tres componentes básicos: una entrada convergente, donde se comprime el aire entrante; una cámara de combustión, donde se quema el combustible gaseoso con el oxígeno atmosférico para producir calor; y una boquilla divergente, donde se acelera el aire calentado para producir empuje . [34] A diferencia de un motor a reacción típico, como un turborreactor o un motor de turbofán , un estatorreactor no utiliza componentes giratorios similares a ventiladores para comprimir el aire; en cambio, 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 partes móviles en un estatorreactor. En comparación, los motores turborreactores típicos requieren múltiples etapas de rotores de compresor giratorios y múltiples etapas de turbina giratoria , 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 estatorreactores está limitado a velocidades cercanas a las hipersónicas . Como carecen de compresores mecánicos, los estatorreactores requieren la alta energía cinética de un flujo hipersónico para comprimir el aire entrante a las condiciones operativas. Por lo tanto, un vehículo propulsado por estatorreactor debe acelerarse hasta la velocidad requerida (normalmente alrededor de Mach 4) mediante algún otro medio de propulsión, como un turborreactor o motores de cohete. [35] En el vuelo del Boeing X-51A experimental propulsado por estatorreactor , la nave de prueba fue elevada a la 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 estatorreactores son conceptualmente simples, su implementación real está limitada por desafíos técnicos extremos. El vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera una resistencia inmensa, y las temperaturas encontradas en la aeronave 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 cuestión de milisegundos. Si bien la tecnología de estatorreactores ha estado en desarrollo desde la década de 1950, solo muy recientemente los estatorreactores han logrado volar con motor con éxito. [38]
Los estatorreactores están diseñados para operar en el régimen de vuelo hipersónico, más allá 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 altamente 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 operar. Si bien el flujo desde velocidades transónicas a bajas supersónicas se puede desacelerar a estas condiciones, hacerlo a velocidades supersónicas da como resultado un tremendo aumento de la temperatura y una pérdida en la presión total del flujo. Alrededor de Mach 3-4, la turbomáquina 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 "embestir" el aire a través de un difusor de entrada hacia la cámara de combustión. A velocidades de vuelo transónicas y supersónicas, el aire que se encuentra aguas arriba de la entrada no puede moverse lo suficientemente rápido y se comprime dentro del difusor antes de difundirse hacia la cámara de combustión. La combustión en un estatorreactor tiene lugar a velocidades subsónicas, de manera similar a los turborreactores, pero los productos de la combustión se aceleran a través de una tobera convergente-divergente hasta alcanzar velocidades supersónicas. Como no tienen medios mecánicos de compresión, los estatorreactores no pueden arrancar desde cero y, por lo general, no logran una compresión suficiente hasta el vuelo supersónico. La falta de turbomáquinas intrincadas permite a los estatorreactores lidiar con el 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, el aumento de la presión y la temperatura del flujo de aire entrante debe controlarse estrictamente. En particular, esto significa que no se puede permitir la desaceleración del flujo de aire a velocidad subsónica. Mezclar el combustible y el aire en esta situación presenta un desafío de ingeniería considerable, agravado por la necesidad de controlar de cerca la velocidad de combustión mientras se maximiza el aumento relativo de la energía interna dentro de la cámara de combustión. En consecuencia, la tecnología actual de estatorreactores 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 estatorreactores tienen una entrada que comprime el aire entrante, inyectores de combustible, una cámara de combustión y una tobera de empuje divergente . A veces, los motores también incluyen una región que actúa como un sostenedor de llama , aunque las altas temperaturas de estancamiento significan que se puede utilizar 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 apagado de la llama. 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 para ampliar el rango de funcionamiento del motor.
Las imágenes de ondas de choque obtenidas por la Universidad de Maryland utilizando imágenes de Schlieren determinaron que la mezcla de combustible controla la compresión al crear contrapresión y ondas de choque que desaceleran y comprimen el aire antes de la ignición, de manera similar al cono de choque de un estatorreactor. 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, lo que desaceleraba y comprimía el aire antes de la ignición. [41]
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Un estatorreactor es similar a un estatorreactor . En un estatorreactor típico, el flujo supersónico que entra al motor se desacelera en la entrada a velocidades subsónicas y luego se vuelve a acelerar a través de una tobera 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 de funcionamiento superior de un motor estatorreactor.
En el caso de un estatorreactor, la energía cinética del aire que entra en el motor es comparable en gran medida a la energía liberada por la reacción del contenido de oxígeno del aire con un combustible (por ejemplo, hidrógeno). Por lo tanto, el calor liberado por la combustión a Mach 2,5 es de alrededor del 10 % de la entalpía total del fluido de trabajo. Dependiendo del combustible, la energía cinética del aire y la liberación potencial de calor de la combustión serán iguales a Mach 8. Por lo tanto, el diseño de un motor estatorreactor tiene que ver tanto con minimizar la resistencia como con maximizar el empuje.
Esta alta velocidad hace que el control del flujo dentro de la cámara de combustión sea más difícil. Dado que el flujo es supersónico, no se propaga ninguna influencia descendente dentro de la corriente libre de la cámara de combustión. La limitación de la entrada a la tobera de empuje no es una técnica de control utilizable. En efecto, un bloque de gas que entra en la cámara de combustión debe mezclarse con combustible y tener tiempo suficiente para la iniciación y la reacción, todo ello mientras viaja supersónicamente a través de la cámara de combustión, antes de que el gas quemado se expanda a través de la tobera de empuje. Esto impone requisitos estrictos sobre la presión y la temperatura del flujo, y requiere que la inyección y la 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 tasa 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 estatorreactor 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 altitudes mayores, un estatorreactor debe ascender a una velocidad específica a medida que acelera para mantener una presión de aire constante en la entrada. Este perfil óptimo de ascenso/descenso se denomina "trayectoria de presión dinámica constante". Se cree que los estatorreactores podrían funcionar hasta una altitud de 75 km. [42]
La inyección y la gestión del combustible también son potencialmente complejas. Una posibilidad sería que el combustible se presurizara a 100 bares mediante una bomba turbo, se calentara en el fuselaje, se enviara a través de la turbina y se acelerara a velocidades más altas que el aire mediante una tobera. La corriente de aire y combustible se cruzan en una estructura similar a un peine, lo que genera una gran interfaz. La turbulencia debida a la mayor velocidad del combustible provoca 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 estatorreactor está limitado por el hecho de que el flujo comprimido debe estar lo suficientemente caliente como 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 lo pueda llamar estatorreactor, 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 ralentiza, el nivel de compresión debe ser lo suficientemente bajo (o la velocidad inicial lo suficientemente alta) como para no ralentizar el gas por debajo de Mach 1. Si el gas dentro de un estatorreactor cae por debajo de Mach 1, el motor se "ahogará", pasando a un flujo subsónico en la cámara de combustión. Este efecto es bien conocido entre los experimentadores de estatorreactores, ya que las ondas causadas por la asfixia son fácilmente observables. Además, el aumento repentino de la presión y la temperatura en el motor puede provocar una aceleración de la combustión, lo que lleva a 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 por debajo de Mach 1 de esta manera se llama "estrangulamiento térmico". Está claro que un estatorreactor puro puede operar a números de Mach de 6 a 8, [43] pero en el límite inferior, depende de la definición de un estatorreactor. Hay diseños de motores en los que un estatorreactor se transforma en un estatorreactor en el rango de Mach 3 a 6, conocidos como estatorreactores de modo dual. [44] Sin embargo, en este rango, el motor sigue recibiendo un empuje significativo de la combustión subsónica del tipo estatorreactor.
El alto costo de las pruebas de vuelo y la falta de disponibilidad de instalaciones terrestres han obstaculizado el desarrollo de estatorreactores. Una gran cantidad del trabajo experimental sobre estatorreactores 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 la simulación perfecta del funcionamiento de los estatorreactores. La prueba de vuelo HyShot mostró la relevancia de la simulación 1:1 de las condiciones en los túneles de choque T4 y HEG, a pesar de tener 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 el AHSTF de Langley, [46] el CHSTF, [47] y el HTT de 8 pies (2,4 m).
La dinámica de fluidos computacional ha alcanzado recientemente [ ¿cuándo? ] una posición que le permite realizar cálculos razonables para resolver problemas de funcionamiento de estatorreactores. El modelado de la capa límite, la mezcla turbulenta, el flujo bifásico, la separación del flujo y la aerotermodinámica de gases reales siguen siendo problemas de vanguardia en la CFD. Además, el modelado de la combustión cinéticamente limitada con especies que reaccionan muy rápido, como el hidrógeno, exige mucho de los recursos informáticos. [48] Los esquemas de reacción son numéricamente rígidos, por lo que requieren esquemas de reacción reducidos. [ Se necesita aclaración ]
Gran parte de la experimentación con estatorreactores de combustión supersónica sigue siendo secreta . Varios grupos, entre ellos la Marina de los EE. UU. con el motor SCRAM entre 1968 y 1974, y el programa Hyper-X con el X-43A , han afirmado haber realizado demostraciones exitosas de la tecnología de estatorreactores de combustión supersónica. Dado que estos resultados no se han publicado abiertamente, siguen sin verificarse y aún no existe un método de diseño final de los motores estatorreactores de combustión supersónica.
Es probable que la aplicación final de un motor estatorreactor sea en conjunción con motores que puedan funcionar fuera del rango operativo del estatorreactor. [ cita requerida ] Los estatorreactores 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 estatorreactor, lo que permite agregar oxidante adicional al flujo del estatorreactor. Los RBCC ofrecen la posibilidad de extender el rango operativo de un estatorreactor 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 en forma mayoritariamente vertical a través de la atmósfera o un turborreactor o estatorreactor que vuela a velocidades mucho más bajas, un vehículo hipersónico que respira aire vuela óptimamente una "trayectoria deprimida", permaneciendo dentro de la atmósfera a velocidades hipersónicas. Debido a que los estatorreactores tienen solo relaciones empuje-peso mediocres, [50] la aceleración sería limitada. Por lo tanto, el tiempo en la atmósfera a velocidad supersónica sería considerable, posiblemente de 15 a 30 minutos. De manera similar a un vehículo espacial que vuelve a entrar , el aislamiento térmico sería una tarea formidable, con protección requerida por una duración más larga 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 "refrigerador activo", donde el refrigerante que circula por la piel del vehículo evita que se desintegre. A menudo, el refrigerante es el propio combustible, de la misma manera que los cohetes modernos utilizan su propio combustible y oxidante como refrigerante para sus motores. Todos los sistemas de refrigeración agregan peso y complejidad a un sistema de lanzamiento. El enfriamiento de los estatorreactores de esta manera puede resultar en una mayor eficiencia, ya que se agrega calor al combustible antes de ingresar al motor, pero resulta en una mayor complejidad y peso que, en última instancia, podría superar cualquier mejora en el 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 la carga útil ( ) para un motor y combustible determinados. Esto da lugar a compensaciones entre la eficiencia del motor (peso del combustible de despegue) y la complejidad del motor (peso seco de despegue), que se pueden expresar de la siguiente manera:
Dónde :
Un estatorreactor aumenta la masa del motor en un cohete y disminuye la masa del combustible . Puede ser difícil decidir si esto dará como resultado un aumento (que sería un aumento de la carga útil entregada a un destino para un peso de despegue del vehículo constante). La lógica detrás de los esfuerzos que impulsan un estatorreactor es (por ejemplo) que la reducción en el combustible disminuye la masa total en un 30%, mientras que el aumento del peso del motor agrega 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 para la eficiencia o masa del motor pueden proporcionar argumentos igualmente buenos a favor o en contra de los vehículos propulsados por estatorreactores.
Además, se debe considerar la resistencia 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 tradicionalmente resulta de los pilones y del flujo acoplado debido al chorro del motor, y es una función del ajuste del acelerador. Por lo tanto, a menudo se escribe como:
Dónde:
En el caso de un motor fuertemente integrado en el cuerpo aerodinámico, puede ser más conveniente pensar en ( ) como la diferencia en la resistencia a partir de 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 no suele estar presente en los motores de combustión interna, por lo que el impulso específico se utiliza menos en la bibliografía. Obsérvese que, en el caso de los motores de combustión interna, tanto y son una 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 estatorreactor varía con la velocidad, reduciéndose a velocidades más altas, comenzando alrededor de los 1200 s, [ cita requerida ] aunque los valores en la literatura varían. [ cita requerida ]
Para el caso simple de un vehículo de una sola etapa, la fracción de masa de combustible se puede expresar como:
Donde esto se puede expresar para una transferencia de una sola etapa a órbita como:
o para vuelo atmosférico nivelado desde un lanzamiento aéreo ( vuelo con misiles ):
¿Dónde está el rango y el cálculo se puede expresar en forma de la fórmula del rango de Breguet :
Dónde:
Esta formulación extremadamente simple, utilizada a los efectos del debate, supone:
Sin embargo, son ciertos en general para todos los motores.
Un estatorreactor 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 convencionales de turbofán , turborreactor o cohete 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 de turbofán y turborreactor son pesados y no pueden superar fácilmente Mach 2-3, por lo que se necesitaría otro método de propulsión para alcanzar la velocidad operativa del estatorreactor. Eso podría ser estatorreactores o cohetes . Estos también necesitarían su propio suministro de combustible, estructura y sistemas separados. Muchas propuestas, en cambio, piden una primera etapa de cohetes propulsores sólidos lanzables , lo que simplifica enormemente el diseño.
A diferencia de las instalaciones de propulsión a chorro o a cohetes, que se pueden probar en tierra, las pruebas de los diseños de estatorreactores utilizan cámaras de prueba hipersónicas o vehículos de lanzamiento muy costosos, que implican 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 de propulsión a chorro (normalmente un estatorreactor) como el X-30 es que evita o al menos reduce la necesidad de llevar 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 ) mientras que tenía un peso 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 cohetes propulsores 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 llevar más carga útil.
Por otro lado, los estatorreactores pasan más tiempo en la atmósfera y requieren más combustible de hidrógeno para lidiar con 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 proporciona 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 ).
Un problema es que se predice que los motores estatorreactores tienen 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 se acerca a una relación de volumen de ~100:1 también. Por lo tanto, un cohete puede lograr una fracción de masa muy alta , lo que mejora el rendimiento. En contraste, la relación empuje/peso proyectada de los motores estatorreactores de aproximadamente 2 significa que un porcentaje mucho mayor de la masa de despegue es 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 turbobombas de alto rendimiento costosas, voluminosas y propensas a fallas que se encuentran en los motores de cohetes convencionales de combustible líquido, ya que la mayoría de los diseños de estatorreactores parecen ser incapaces de velocidades orbitales en modo de respiración aérea y, por lo tanto, se necesitan motores de cohete adicionales. [ cita requerida ]
Los estatorreactores de combustión supersónica podrían acelerar desde aproximadamente Mach 5-7 hasta alrededor de la mitad de la velocidad orbital y la velocidad orbital (la investigación del X-30 sugirió que Mach 17 podría ser el límite en comparación con una velocidad orbital de Mach 25, y otros estudios sitúan el límite superior de velocidad para un motor estatorreactor puro entre Mach 10 y 25, dependiendo de las suposiciones realizadas). En general, se espera que se necesite otro sistema de propulsión (muy típicamente, se propone un cohete) para la aceleración final en órbita. Dado que el delta-V es moderado y la fracción de carga útil de los estatorreactores de combustión supersónica alta, podrían ser aceptables cohetes de menor rendimiento, como sólidos, hipergólicos o simples propulsores de combustible líquido.
Las proyecciones teóricas sitúan la velocidad máxima de un estatorreactor 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 mi) de órbita baja terrestre es de 7,79 kilómetros por segundo (28.000 km/h; 17.400 mph). [54]
La parte inferior resistente al calor del estatorreactor podría funcionar también como sistema de reentrada si se visualiza un vehículo de una sola etapa en órbita que utilice refrigeración no ablativa ni activa. Si se utiliza un blindaje ablativo en el motor, probablemente no se podrá utilizar después del ascenso a la órbita. Si se utiliza refrigeración activa con el combustible como refrigerante, la pérdida de todo el combustible durante la combustión hasta la órbita también significará la pérdida de toda la refrigeración para el 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 más alto que el oxígeno líquido, el combustible y el tanque, y el hardware de los estatorreactores parece ser mucho más pesado que los cohetes para cualquier carga útil dada. Aún así, si los estatorreactores permiten vehículos reutilizables, esto podría ser teóricamente un beneficio de costo. No está claro si el equipo sujeto a las condiciones extremas de un estatorreactor se puede reutilizar suficientes veces; todas las pruebas de estatorreactores voladas solo sobreviven por períodos cortos y nunca han sido diseñadas para sobrevivir a un vuelo hasta la fecha. El costo final de un vehículo de este tipo es objeto de intenso debate [ ¿por quién? ] ya que incluso las mejores estimaciones no están de acuerdo en si un vehículo estatorreactor sería ventajoso. Es probable que un vehículo estatorreactor necesitaría levantar más carga que un cohete de igual peso de despegue para ser igualmente rentable (si el estatorreactor es un vehículo no reutilizable). [ cita requerida ]
Los vehículos de lanzamiento espacial pueden o no beneficiarse de tener una etapa estatorreactor. Una etapa estatorreactor de un vehículo de lanzamiento teóricamente 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 estatorreactor disminuye rápidamente con la velocidad, y el vehículo sufriría de una relación sustentación-resistencia relativamente baja .
La relación entre el empuje instalado y el peso de los estatorreactores es muy desfavorable en comparación con el 50-100 de un motor de cohete típico. Esto se compensa en parte en los estatorreactores porque el peso del vehículo sería soportado por la sustentación aerodinámica en lugar de por la potencia pura del cohete (lo que daría lugar a menores " pérdidas por gravedad "), [ cita requerida ] pero los estatorreactores tardarían mucho más en llegar a la órbita debido al menor empuje, lo que contrarresta en gran medida la ventaja. El peso de despegue de un vehículo estatorreactor se reduce significativamente en comparación con el de un cohete, debido a la falta de oxidante a bordo, pero aumenta por los requisitos estructurales de los motores más grandes y pesados.
Si este vehículo podría reutilizarse o no es todavía tema de debate e investigación.
Un avión que utilice este tipo de motor a reacción podría reducir drásticamente el tiempo que se tarda en viajar de un lugar a otro, lo que podría permitir llegar a cualquier lugar de la Tierra en un vuelo de 90 minutos. Sin embargo, existen dudas sobre si un vehículo de este tipo podría transportar suficiente combustible para realizar viajes de larga duración. Además, algunos países prohíben o penalizan a los aviones de pasajeros y otras aeronaves civiles que generan explosiones sónicas . (Por ejemplo, en los Estados Unidos, las regulaciones de la FAA prohíben los vuelos supersónicos sobre tierra, por parte de aeronaves civiles. [56] [57] [58] )
Se ha propuesto un vehículo Scramjet de una sola etapa que se conecta al vehículo, donde una conexión orbital giratoria a Mach 12 recogería una carga útil de un vehículo a unos 100 km y la llevaría a la órbita. [59]
Un estatorreactor tiene una relación empuje-peso muy pobre (~2).
Figura 9-10, página 20
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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)
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