Un motor a reacción preenfriado es un concepto que permite utilizar motores a reacción con turbomáquinas , a diferencia de los estatorreactores, a altas velocidades. El preenfriamiento restablece parte o la totalidad de la degradación del rendimiento del compresor del motor (al evitar la pérdida de rotación/estrangulamiento/flujo reducido), así como la del generador de gas completo (al mantener un aumento significativo de la temperatura de la cámara de combustión dentro de un límite de temperatura fijo de la turbina). lo que de otro modo impediría el vuelo con altas temperaturas de ariete.
Robert P. Carmichael en 1955 ideó varios ciclos de motor que utilizaban hidrógeno líquido para preenfriar el aire de entrada al motor antes de usarlo como combustible. [1] : 138
El interés por los motores preenfriados surgió en el Reino Unido en 1982, cuando Alan Bond creó un diseño de motor de cohete con respiración de aire preenfriado al que llamó SATAN. [ cita necesaria ] La idea se desarrolló como parte del proyecto del avión espacial HOTOL SSTO y se convirtió en el Rolls-Royce RB545. En 1989, después de que se interrumpiera el proyecto HOTOL, algunos de los ingenieros del RB545 crearon una empresa, Reaction Engines Ltd, para desarrollar la idea en el motor SABRE y el avión espacial Skylon asociado .
En 1987, N Tanatsugu publicó "Estudio analítico de un avión espacial propulsado por un turborreactor de aire con enfriador de aire de admisión". parte del estudio japonés ISAS (ahora JAXA ) sobre un Air-Turbo Ramjet (ATR, más tarde ATREX después de la adición de un ciclo expansor) destinado a impulsar la primera etapa de un avión espacial TSTO . ATREX fue reemplazado por los estudios Preecooled Turbojet (PCTJ) y Hypersonic Turbojet. Un motor de prueba de combustión de hidrógeno preenfriado con nitrógeno líquido voló a Mach 2 en el campo de investigación aeroespacial de Taiki en septiembre de 2010. [2]
Para velocidades de vuelo más altas, el preenfriamiento puede incluir un intercambiador de calor criogénico enfriado por combustible antes de que el aire ingrese al compresor. Después de ganar calor y vaporizarse en el intercambiador de calor, el combustible (p. ej. H2 ) se quema en la cámara de combustión . El preenfriamiento mediante un intercambiador de calor no se ha utilizado en vuelo, pero se prevé que tenga un empuje y una eficiencia significativamente altos a velocidades de hasta Mach 5,5. Los ciclos de los motores a reacción preenfriados fueron analizados por Robert P. Carmichael en 1955. [1] : 138 Los motores preenfriados evitan la necesidad de un condensador de aire porque, a diferencia de los motores de ciclo de aire líquido (LACE), los motores preenfriados enfrían el aire sin licuarlo. él.
Para velocidades de vuelo más bajas, el preenfriamiento se puede realizar con inyección en masa, conocida como WIPCC (enfriamiento por precompresor de inyección de agua) [3]. Este método se ha utilizado para aumentos de corta duración (debido a la capacidad limitada de refrigerante) a la velocidad máxima normal de una aeronave. La "Operación Skyburner", que obtuvo un récord mundial de velocidad con un McDonnell Douglas F-4 Phantom II , [4] y el Mikoyan Ye-266 ( Mig 25 ) [5] utilizaron un spray de agua/alcohol para enfriar el aire delante de el compresor.
El preenfriamiento (así como la inyección de agua en la cámara de combustión) se utiliza a velocidades de vuelo más bajas, es decir, durante el despegue, para aumentar el empuje a temperaturas ambiente altas.
Una ventaja principal del preenfriamiento es (como lo predice la ley de los gases ideales ) que para una relación de presión general dada , hay una reducción significativa en la temperatura de entrega del compresor (T3), lo que retrasa el alcance del límite de T3 a un número de Mach más alto. En consecuencia, las condiciones del nivel del mar (flujo corregido) se pueden mantener después del preenfriador en un rango muy amplio de velocidades de vuelo, maximizando así el empuje neto incluso a altas velocidades. El compresor y los conductos después de la entrada están sujetos a temperaturas mucho más bajas y más consistentes y, por lo tanto, pueden estar hechos de aleaciones ligeras. Esto reduce el peso del motor, lo que mejora aún más la relación empuje/peso.
El hidrógeno es un combustible adecuado porque es líquido a temperaturas profundamente criogénicas y, en su rango útil, tiene una capacidad calorífica específica total muy alta , [1] : 108 , incluido el calor latente de vaporización, superior a la del agua. Sin embargo, la baja densidad del hidrógeno líquido tiene efectos negativos en el resto del vehículo, y el vehículo se vuelve físicamente muy grande, [1] : 108 aunque el peso sobre el tren de aterrizaje y la carga alar pueden permanecer bajos.
El hidrógeno provoca un debilitamiento estructural en muchos materiales, conocido como fragilización por hidrógeno .
El peso del preenfriador se suma al peso del motor, reduciendo así su relación empuje-peso . Hacer pasar el aire de admisión a través del preenfriador aumenta la resistencia de entrada, lo que reduce el empuje neto del motor y, por lo tanto, reduce la relación empuje-peso.
Dependiendo de la cantidad de enfriamiento requerido, a pesar de su alta capacidad térmica, es posible que se necesite más hidrógeno para enfriar el aire del que se puede quemar con el aire enfriado. [ cita necesaria ] En algunos casos, parte del exceso de hidrógeno se puede quemar en un estatorreactor con aire no refrigerado para reducir esta ineficiencia.
A diferencia de un motor LACE, un motor preenfriado no necesita licuar el oxígeno, por lo que la cantidad de enfriamiento se reduce ya que no hay necesidad de cubrir la fusión del oxígeno y se requiere una caída de temperatura total menor. Esto, a su vez, reduce la cantidad de hidrógeno utilizado como disipador de calor, pero que no se puede quemar. Además no se requiere condensador, lo que supone un ahorro de peso.
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