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 restaura parte o la totalidad de la degradación del rendimiento del compresor del motor (al evitar el estancamiento rotatorio/obstrucción/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 fijo de temperatura de la turbina), que de otro modo impediría el vuelo con altas temperaturas del ariete.
En 1955, Robert P. Carmichael 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 requerida ] 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 asociado Skylon .
En 1987, N Tanatsugu publicó "Estudio analítico de un avión espacial propulsado por un estatorreactor turbo de aire con enfriador de aire de admisión", parte del estudio de ISAS (ahora JAXA ) de Japón sobre un estatorreactor turbo de aire (ATR, más tarde ATREX después de la adición de un ciclo de expansión) destinado a propulsar la primera etapa de un avión espacial TSTO . ATREX fue reemplazado por los estudios de turborreactor preenfriado (PCTJ) y turborreactor hipersónico. 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 enfriado por combustible criogénico antes de que el aire ingrese al compresor. Después de ganar calor y vaporizarse en el intercambiador de calor, el combustible (por ejemplo, H 2 ) se quema en la cámara de combustión . El preenfriamiento mediante un intercambiador de calor no se ha utilizado en vuelo, pero se predice que tendrá un empuje y una eficiencia significativamente altos a velocidades de hasta Mach 5,5. Los ciclos de 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 .
Para velocidades de vuelo más bajas, el preenfriamiento se puede realizar con inyección de masa, conocida como WIPCC (enfriamiento del precompresor por inyección de agua) [3]. Este método se ha utilizado para aumentos de corta duración (debido a la capacidad limitada del refrigerante) hasta 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 aerosol de agua/alcohol para enfriar el aire delante del compresor.
El preenfriamiento (así como la inyección de agua en la cámara de combustión) se utiliza a las velocidades de vuelo más bajas, es decir, durante el despegue, para aumentar el empuje a temperaturas ambientales elevadas.
Una ventaja principal del preenfriamiento es (como 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 la llegada del límite 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 constantes, 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 muy criogénicas y, en su rango útil, tiene una capacidad calorífica específica total muy alta , [1] : 108 incluido el calor latente de vaporización, mayor que el 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 en el tren de aterrizaje y la carga del ala pueden permanecer bajos.
El hidrógeno provoca un debilitamiento estructural en muchos materiales, conocido como fragilización por hidrógeno .
El peso del preenfriador aumenta el peso del motor, lo que reduce su relación empuje-peso . El paso del aire de admisión a través del preenfriador aumenta la resistencia de entrada, lo que reduce el empuje neto del motor y, por lo tanto, la relación empuje-peso.
Dependiendo de la cantidad de enfriamiento requerida, a pesar de su alta capacidad térmica, puede necesitarse más hidrógeno para enfriar el aire del que se puede quemar con el aire enfriado. [ cita requerida ] En algunos casos, parte del exceso de hidrógeno se puede quemar en un estatorreactor con aire sin enfriar 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 un condensador, lo que supone un ahorro de peso.
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