El motor aerospike es un tipo de motor de cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica en un amplio rango de altitudes . [1] Pertenece a la clase de motores de tobera con compensación de altitud . [2] Se propusieron motores Aerospike para muchos diseños de etapa única a órbita (SSTO). Eran candidatos para el motor principal del transbordador espacial . Sin embargo, en 2023 ningún motor de este tipo estaba en producción comercial, aunque algunos aerospikes a gran escala estaban en fases de prueba. [3]
El término aerospike se usó originalmente para una boquilla de tapón truncada con una forma cónica rugosa y algo de inyección de gas, formando una "punta de aire" para ayudar a compensar la ausencia de la cola del tapón. Sin embargo, una boquilla de tapón de longitud completa también puede denominarse aerospike.
El propósito de cualquier campana de motor es dirigir el escape de un motor de cohete en una dirección, generando empuje en la dirección opuesta. El escape, una mezcla de gases a alta temperatura, tiene una distribución de momento efectivamente aleatoria (es decir, el escape empuja en cualquier dirección que pueda). Si se permite que el escape escape de esta forma, sólo una pequeña parte del flujo se moverá en la dirección correcta y, por lo tanto, contribuirá al empuje hacia adelante. La campana redirige el escape que se mueve en la dirección incorrecta para generar empuje en la dirección correcta. La presión del aire ambiente también ejerce una pequeña presión contra el escape, lo que ayuda a mantenerlo en movimiento en la dirección "correcta" cuando sale del motor. A medida que el vehículo asciende a través de la atmósfera, la presión del aire ambiente se reduce. Esto hace que el escape que genera empuje comience a expandirse fuera del borde de la campana. Dado que este escape comienza a viajar en la dirección "incorrecta" (es decir, hacia afuera de la columna de escape principal), la eficiencia del motor se reduce a medida que viaja el cohete porque este escape que escapa ya no contribuye al empuje del motor. Un motor de cohete aerospike busca eliminar esta pérdida de eficiencia. [1]
En lugar de disparar el escape a través de un pequeño orificio en medio de una campana, un motor aerospike evita esta distribución aleatoria disparando a lo largo del borde exterior de una protuberancia en forma de cuña, la "pico", que cumple la misma función que un motor tradicional. campana del motor. La púa forma un lado de una campana "virtual", mientras que el otro lado está formado por el aire exterior. [1]
La idea detrás del diseño del aerospike es que a baja altitud la presión ambiental comprime el escape contra el pico. La recirculación de gases de escape en la zona base de la punta puede elevar la presión en esa zona hasta casi la temperatura ambiente. Dado que la presión delante del vehículo es ambiental, esto significa que el escape en la base de la punta casi se equilibra con la resistencia experimentada por el vehículo. No proporciona empuje general, pero esta parte de la boquilla tampoco pierde empuje al formar un vacío parcial. El empuje en la base de la tobera puede ignorarse a baja altura. [1]
A medida que el vehículo asciende a mayores altitudes, la presión del aire que mantiene el escape contra la punta disminuye, al igual que la resistencia frente al vehículo. La zona de recirculación en la base de la punta mantiene la presión en esa zona a una fracción de 1 bar , más alta que el casi vacío delante del vehículo, dando así un empuje adicional a medida que aumenta la altitud. Esto se comporta efectivamente como un "compensador de altitud" en el sentido de que el tamaño de la campana compensa automáticamente cuando cae la presión del aire. [1]
Las desventajas de los aerospikes parecen ser el peso extra del clavo. Además, el área enfriada más grande puede reducir el rendimiento por debajo de los niveles teóricos al reducir la presión contra la boquilla. Los aerospikes funcionan relativamente mal entre Mach 1 y 3, donde el flujo de aire alrededor del vehículo ha reducido la presión, reduciendo así el empuje. [4]
Existen varias versiones del diseño, diferenciadas por sus formas. En el aerospike toroidal, la punta tiene forma de cuenco y el escape sale en un anillo alrededor del borde exterior. En teoría, esto requiere una punta infinitamente larga para lograr la mejor eficiencia, pero expulsando una pequeña cantidad de gas del centro de una punta truncada más corta (como el sangrado de base en un proyectil de artillería), se puede lograr algo similar.
En el aerospike lineal, el pico consiste en una placa cónica en forma de cuña, con escape saliendo a ambos lados en el extremo "grueso". Este diseño tiene la ventaja de ser apilable, lo que permite colocar varios motores más pequeños en fila para formar un motor más grande y, al mismo tiempo, aumentar el rendimiento de la dirección con el uso del control individual del acelerador del motor.
Rocketdyne llevó a cabo una larga serie de pruebas en la década de 1960 en varios diseños. Los modelos posteriores de estos motores se basaron en su maquinaria de motor J-2 altamente confiable y proporcionaron el mismo tipo de niveles de empuje que los motores convencionales en los que se basaron; 200.000 lbf (890 kN ) en el J-2T-200k , y 250.000 lbf (1,1 MN) en el J-2T-250k (la T se refiere a la cámara de combustión toroidal). Treinta años después, su trabajo fue revivido para su uso en el proyecto X-33 de la NASA . En este caso se utilizó la maquinaria del motor J-2S ligeramente mejorada con un pico lineal, creando el XRS-2200 . Después de más desarrollo y pruebas considerables, este proyecto fue cancelado cuando los tanques de combustible compuestos del X-33 fallaron repetidamente.
Se construyeron tres motores XRS-2200 durante el programa X-33 y se sometieron a pruebas en el Centro Espacial Stennis de la NASA . Las pruebas con un solo motor fueron un éxito, pero el programa se detuvo antes de que pudieran completarse las pruebas para la configuración con dos motores. El XRS-2200 produce 204.420 lbf (909.300 N) de empuje con un I sp de 339 segundos al nivel del mar y 266.230 lbf (1.184.300 N) de empuje con un I sp de 436,5 segundos en el vacío.
El motor Aerospike lineal RS-2200 [5] se derivó del XRS-2200. El RS-2200 iba a impulsar el vehículo de etapa única en órbita VentureStar . En el último diseño, siete RS-2200 que producen 542.000 libras de fuerza (2.410 kN) cada uno impulsarían al VentureStar a la órbita terrestre baja. El desarrollo del RS-2200 se detuvo formalmente a principios de 2001 cuando el programa X-33 no recibió financiación de la Iniciativa de Lanzamiento Espacial . Lockheed Martin decidió no continuar con el programa VentureStar sin ningún apoyo financiero de la NASA. Un motor de este tipo se exhibe al aire libre en los terrenos del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama.
La cancelación del Lockheed Martin X-33 por parte del gobierno federal en 2001 disminuyó la disponibilidad de fondos, pero los motores aerospike siguen siendo un área de investigación activa. Por ejemplo, se logró un hito cuando un equipo conjunto académico/industrial de la Universidad Estatal de California en Long Beach (CSULB) y Garvey Spacecraft Corporation realizó con éxito una prueba de vuelo de un motor aerospike propulsado por propulsor líquido en el desierto de Mojave el 20 de septiembre de 2003. Los estudiantes de CSULB habían desarrollado su cohete Prospector 2 (P-2) utilizando un motor aerospike de LOX/etanol de 1000 lb f (4,4 kN). Este trabajo sobre motores aerospike continúa; Prospector-10, un motor aerospike de diez cámaras, fue probado el 25 de junio de 2008. [6]
En marzo de 2004 se produjeron mayores avances cuando se realizaron dos pruebas exitosas patrocinadas por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA utilizando cohetes de alta potencia fabricados por Blacksky Corporation, con sede en Carlsbad, California . Las boquillas aerospike y los motores de cohetes sólidos fueron desarrollados y construidos por la división de motores de cohetes de Cesaroni Technology Incorporated, al norte de Toronto, Ontario. Los dos cohetes funcionaban con combustible sólido y estaban equipados con toberas aerospike toroidales no truncadas. Volados en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del Condado de Pecos, Fort Stockton, Texas, los cohetes alcanzaron apogeos de 26.000 pies (7.900 m) y velocidades de aproximadamente Mach 1,5.
Los miembros de la Reaction Research Society han estado desarrollando motores aerospike a pequeña escala utilizando una configuración de propulsor de cohete híbrido .
En 2020, la TU Dresden y Fraunhofer IWS iniciaron su proyecto CFDμSAT para la investigación de motores aerospike fabricados aditivamente. Ya se ha probado un prototipo en una celda de pruebas del Instituto de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Técnica de Dresde y se logró un tiempo de combustión de 30 segundos. [7]
En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció su lanzador Alpha planificado que utiliza un motor aerospike para su primera etapa. Destinado al mercado de lanzamiento de satélites pequeños, está diseñado para lanzar satélites a la órbita terrestre baja (LEO) a un precio de entre 8 y 9 millones de dólares, mucho más bajo que el de los lanzadores convencionales. [8]
Firefly Alpha 1.0 fue diseñado para transportar cargas útiles de hasta 400 kilogramos (880 lb). Utiliza materiales compuestos de carbono y utiliza el mismo diseño básico para ambas etapas. El motor aerospike de grupo enchufable genera 90.000 libras de fuerza (400 kN) de empuje. El motor tiene una boquilla en forma de campana que se cortó por la mitad y luego se estiró para formar un anillo y la media boquilla ahora forma el perfil de un tapón. [8]
Este diseño de cohete nunca fue lanzado. El diseño fue abandonado después de que Firefly Space Systems quebrara. Una nueva empresa, Firefly Aerospace , ha sustituido el motor Aerospike por un motor convencional con diseño Alpha 2.0. Sin embargo, la compañía ha propuesto Firefly Gamma, un avión espacial parcialmente reutilizable con motores aerospike.
En marzo de 2017, ARCA Space Corporation anunció su intención de construir un cohete de etapa única a órbita (SSTO), llamado Haas 2CA, utilizando un motor aerospike lineal. El cohete está diseñado para enviar hasta 100 kg a la órbita terrestre baja, a un precio de 1 millón de dólares por lanzamiento. [9] Más tarde anunciaron que su motor Executor Aerospike produciría 50.500 libras de fuerza (225 kN) de empuje al nivel del mar y 73.800 libras de fuerza (328 kN) de empuje en el vacío. [10]
En junio de 2017, ARCA anunció que volarían su cohete Demonstrator3 al espacio, utilizando también un motor aerospike lineal. Este cohete fue diseñado para probar varios componentes de su Haas 2CA a menor costo. Anunciaron un vuelo para agosto de 2017. [9] En septiembre de 2017, ARCA anunció que, después de sufrir un retraso, su motor lineal aerospike estaba listo para realizar pruebas en tierra y pruebas de vuelo en un cohete Demonstrator3. [9]
El 20 de diciembre de 2019, ARCA probó el motor de cohete de vapor aerospike LAS 25DA para el sistema de asistencia de lanzamiento. [11]
Otro modelo conceptual de motor de pico, de KSF Space e Interstellar Space en Los Ángeles, fue diseñado para un vehículo orbital llamado SATORI. Debido a la falta de financiación, el concepto aún no se ha desarrollado. [12]
Rocketstar planeaba lanzar su cohete Aerospike impreso en 3D a una altitud de 50 millas en febrero de 2019, pero canceló la misión tres días antes del despegue alegando preocupaciones de seguridad. Están trabajando en un segundo intento de lanzamiento. [13]
En noviembre de 2021, Pangea Aerospace, con sede en España, comenzó las pruebas en caliente de su motor de demostración aerospike de metano y oxígeno DemoP1 a pequeña escala. [14] [15]
Después de probar con éxito el demostrador DemoP1, Pangea planea pasar al motor ARCOS de 300 kN. [dieciséis]
Con sede en Kent, Washington, Stoke Space está construyendo y probando un sistema aerospike LH2/LOX de arquitectura distribuida para su segunda etapa reutilizable. [17]
La startup alemana POLARIS Raumflugzeuge GmbH, con sede en Bremen , recibió en abril de 2023 un contrato con la Bundeswehr para diseñar y probar en vuelo un motor de punta lineal. La compañía probará este nuevo motor a finales de su cuarto avión espacial demostrador, el DEMO-4 MIRA. 2023 [18] [19] en Peenemünde, [20] el mismo lugar donde se desarrollaron los misiles balísticos V-2. Si tiene éxito, MIRA será el primer vehículo aeroespacial propulsado por un motor de cohete lineal durante el vuelo. [21] [ se necesita fuente no primaria ]
Con sede en la Universidad de Bath , el Bath Rocket Team ha estado desarrollando su propio motor de cohete híbrido con una boquilla aerospike desde 2020. El motor se probó por primera vez en la Competencia Nacional de Propulsión Carrera al Espacio del Reino Unido en 2023. [22] El equipo está desarrollando una versión lista para volar del motor que planean volar por primera vez en EuRoC24 . [23]
