Chorro de chatarra

Un scramjet (estatorreactor de combustión supersónica) es una variante de un motor a reacción estatorreactor que respira aire en el que la combustión tiene lugar en un flujo de aire supersónico. Al igual que en los ramjets, un scramjet se basa en la alta velocidad del vehículo para comprimir el aire entrante con fuerza antes de la combustión (por lo tanto, ramjet), pero mientras que un ramjet desacelera el aire a velocidades subsónicas antes de la combustión usando conos de choque, un scramjet no tiene cono de choque y reduce la velocidad del flujo de aire usando ondas de choque producidas por su fuente de ignición en lugar de un cono de choque. Esto permite que el scramjet funcione de manera eficiente a velocidades extremadamente altas.

Historia

Antes de 2000

El Bell X-1 alcanzó el vuelo supersónico en 1947 y, a principios de la década de 1960, el rápido progreso hacia aeronaves más rápidas sugirió que las aeronaves operativas estarían volando a una velocidad "hipersónica" velocidades en unos 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 las aeronaves se han mantenido estables, generalmente en el rango de Mach 1 a Mach 3.

Durante el programa de aviones aeroespaciales de EE. UU., entre las décadas de 1950 y 1960, Alexander Kartveli y Antonio Ferri fueron los defensores del enfoque scramjet.

En las décadas de 1950 y 1960, se construyeron y probaron en tierra una variedad de motores scramjet experimentales en los EE. UU. y el Reino Unido. Antonio Ferri demostró con éxito un scramjet que producía un empuje neto en noviembre de 1964, y finalmente produjo 517 libras-fuerza (2,30 kN), aproximadamente el 80 % de su objetivo. En 1958, un artículo analítico discutió las ventajas y desventajas de los estatorreactores de combustión supersónica. 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.

En 1981, se realizaron pruebas en Australia bajo la dirección del profesor Ray Stalker en las instalaciones de pruebas terrestres T3 en ANU.

La primera prueba de vuelo exitosa de un scramjet se realizó como un esfuerzo conjunto con la NASA, sobre la Unión Soviética en 1991. Era un scramjet de modo dual impulsado por hidrógeno axisimétrico desarrollado por el Instituto Central de Motores de Aviación (CIAM) de Moscú. a fines de la década de 1970, pero modernizado con una aleación FeCrAl en un misil SM-6 convertido para lograr parámetros de vuelo iniciales de Mach 6.8, antes de que el scramjet volara a Mach 5.5. El vuelo scramjet se llevó a cabo en cautiverio sobre el misil tierra-aire SA-5 que incluía una unidad de apoyo de vuelo experimental conocida como 'Laboratorio de vuelo hipersónico'. (HFL), "Kholod".

Luego, de 1992 a 1998, el CIAM junto con Francia y luego con la NASA realizaron seis pruebas de vuelo adicionales del demostrador scramjet de alta velocidad axisimétrico. Se alcanzó una velocidad de vuelo máxima superior a Mach 6,4 y se demostró el funcionamiento del scramjet durante 77 segundos. Esta serie de pruebas de vuelo también proporcionó información sobre los controles de vuelo hipersónicos autónomos.

Progreso en la década de 2000

La concepción del artista de la NASA X-43 con scramjet unido a la parte inferior

En la década de 2000, se lograron avances significativos en el desarrollo de la tecnología hipersónica, particularmente en el campo de los motores scramjet.

El proyecto HyShot demostró la combustión scramjet el 30 de julio de 2002. El motor scramjet funcionó de manera efectiva y demostró la combustión supersónica en acción. Sin embargo, el motor no fue diseñado para proporcionar empuje para propulsar una embarcación. Fue diseñado más o menos como un demostrador de tecnología.

Un equipo británico y australiano conjunto de la empresa de defensa británica Qinetiq y la Universidad de Queensland fueron el primer grupo en demostrar un scramjet funcionando en una prueba atmosférica.

Hyper-X reclamó el primer vuelo de un vehículo scramjet que produce empuje con superficies de maniobra aerodinámicas completas en 2004 con el X-43A. La última de las tres pruebas de scramjet X-43A alcanzó Mach 9.6 por un breve tiempo.

El 15 de junio de 2007, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA), en cooperación con la Organización Australiana de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO), anunció un vuelo exitoso de scramjet en Mach 10 usando motores de cohetes para impulsar el vehículo de prueba a velocidades hipersónicas.

Se completó una serie de pruebas en tierra de scramjet en las instalaciones de prueba de scramjet calentadas por arco de Langley (AHSTF) de la NASA en condiciones de vuelo simuladas de Mach 8. Estos experimentos se utilizaron para respaldar el vuelo 2 de HIFiRE.

El 22 de mayo de 2009, Woomera organizó el primer vuelo de prueba exitoso de un avión hipersónico en HIFiRE (Experimentación de Investigación de Vuelo Internacional Hipersónico). El lanzamiento fue uno de los diez vuelos de prueba planificados. 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 EE. UU., designado como HIFiRE. HIFiRE está investigando la tecnología hipersónica y su aplicación a vehículos de lanzamiento espacial avanzados impulsados por scramjet; el objetivo es respaldar el nuevo demostrador scramjet Boeing X-51 y al mismo tiempo construir una base sólida de datos de prueba de vuelo para el desarrollo de lanzamientos espaciales de reacción rápida y 'ataque rápido' hipersónico. armas

Progreso en la década de 2010

Los días 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 Woomera Test Range en el interior de Australia Meridional.

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 aérea hipersónica. 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 se llevó a bordo de un B-52, se aceleró a Mach 4,5 a través de un cohete propulsor de combustible sólido y luego se encendió el Pratt & Motor scramjet Whitney Rocketdyne para alcanzar Mach 5 a 70 000 pies (21 000 m). Sin embargo, un segundo vuelo el 13 de junio de 2011 finalizó prematuramente cuando el motor se encendió brevemente con etileno pero no logró la transición a su combustible JP-7 principal y no alcanzó la potencia máxima.

El 16 de noviembre de 2010, científicos australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en la Academia de las Fuerzas de Defensa de Australia demostraron con éxito que el flujo de alta velocidad en un motor scramjet que no se quema naturalmente puede encenderse usando una fuente de láser pulsado.

Otra prueba X-51A Waverider falló el 15 de agosto de 2012. El intento de volar el scramjet durante un período prolongado a Mach 6 se interrumpió cuando, solo 15 segundos después el vuelo, la nave X-51A perdió el control y se partió, cayendo en el Océano Pacífico al noroeste de Los Ángeles. La causa de la falla se atribuyó a una aleta de control defectuosa.

En mayo de 2013, un X-51A Waverider sin tripulación alcanzó los 4828 km/h (Mach 3,9) durante un vuelo de tres minutos con la potencia de un scramjet. El WaveRider se dejó caer a 50 000 pies (15 000 m) desde un bombardero B-52 y luego se aceleró a Mach 4,8 mediante un cohete propulsor sólido que luego se separó antes de que el WaveRider' El motor scramjet entró en vigor.

El 28 de agosto de 2016, la agencia espacial india ISRO llevó a cabo con éxito una prueba de un motor scramjet en un cohete de combustible sólido de dos etapas. Los motores scramjet gemelos se montaron en la parte posterior de la segunda etapa de un cohete de sonido de combustible sólido de dos etapas llamado Vehículo de Tecnología Avanzada (ATV), que es el cohete de sonido avanzado de ISRO. Los motores gemelos scramjet 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 scramjet se encendieron durante unos 5 segundos.

El 12 de junio de 2019, India realizó con éxito la prueba de vuelo inaugural de su avión de demostración scramjet sin tripulación desarrollado en el país para vuelos de velocidad hipersónica desde una base de la isla Abdul Kalam en la Bahía de Bengala alrededor de las 11:25 a. m. El avión se llama Vehículo de demostración de tecnología hipersónica. El ensayo fue llevado a cabo por la Organización de Investigación y Desarrollo de la Defensa. El avión forma un componente importante del programa del país para el desarrollo de un sistema de misiles de crucero hipersónico.

Progreso en la década de 2020

El 27 de septiembre de 2021, DARPA anunció el vuelo exitoso de su misil de crucero scramjet Hypersonic Air-breathing Weapon Concept. 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 la tensión con Rusia, solo para ser revelados por un funcionario anónimo del Pentágono a principios de abril.

Principios de diseño

Los motores Scramjet son un tipo de motor a reacción y dependen de la combustión de combustible y un oxidante para producir empuje. Al igual que los motores a reacción convencionales, los aviones propulsados por scramjet transportan el combustible a bordo y obtienen el oxidante mediante la ingestión de oxígeno atmosférico (en comparación con los cohetes, que transportan combustible y un agente oxidante). Este requisito limita los scramjets a la propulsión atmosférica suborbital, donde el contenido de oxígeno del aire es suficiente para mantener la combustión.

El scramjet se compone de tres componentes básicos: una entrada convergente, donde se comprime el aire entrante; una cámara de combustión, donde se quema combustible gaseoso con oxígeno atmosférico para producir calor; y una tobera divergente, donde el aire caliente se acelera para producir empuje. A diferencia de un motor a reacción típico, como un motor turborreactor o turboventilador, un scramjet no utiliza componentes giratorios en forma de ventilador para comprimir el aire; más bien, la velocidad alcanzable de la aeronave que se mueve a través de la atmósfera hace que el aire se comprima dentro de la entrada. Como tal, no se necesitan partes móviles en un scramjet. 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 del scramjet se limita a velocidades casi hipersónicas. Como carecen de compresores mecánicos, los scramjets requieren la alta energía cinética de un flujo hipersónico para comprimir el aire entrante a condiciones operativas. Por lo tanto, un vehículo propulsado por un scramjet debe ser acelerado a la velocidad requerida (generalmente alrededor de Mach 4) por algún otro medio de propulsión, como turborreactores, cañones de riel o motores de cohetes. En el vuelo del Boeing X-51A experimental propulsado por scramjet, un Boeing B-52 Stratofortress elevó la nave de prueba a la altitud de vuelo antes de liberarla y acelerarla con un cohete desmontable hasta cerca de Mach 4.5. En mayo de 2013, otro vuelo logró una mayor velocidad de Mach 5,1.

Si bien los scramjet son conceptualmente simples, la implementación real está limitada por desafíos técnicos extremos. El vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera una resistencia inmensa, y las temperaturas que se encuentran en el avión 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 milisegundos. Si bien la tecnología scramjet ha estado en desarrollo desde la década de 1950, solo recientemente los scramjet lograron con éxito el vuelo propulsado.

Las regiones de compresión, combustión y expansión de: a) turbojet, b) ramjet, y c) motores scramjet.

Principios básicos

Los scramjets 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 cohete. Los motores basados en turbomaquinaria, si bien son muy 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 funcionar. Si bien el flujo de velocidades transónicas a supersónicas bajas se puede desacelerar a estas condiciones, hacerlo a velocidades supersónicas da como resultado un aumento tremendo de la temperatura y una pérdida en la presión total del flujo. Alrededor de Mach 3–4, la turbomaquinaria ya no es útil y la compresión estilo ram se convierte en el método preferido.

Los estatorreactores utilizan características de aire de alta velocidad para, literalmente, 'ram' aire a través de un difusor de entrada en la cámara de combustión. A velocidades de vuelo transónicas y supersónicas, el aire aguas arriba de la entrada no puede apartarse lo suficientemente rápido y se comprime dentro del difusor antes de difundirse en la cámara de combustión. La combustión en un estatorreactor tiene lugar a velocidades subsónicas, similar a los turborreactores, pero los productos de la combustión se aceleran luego a través de una tobera convergente-divergente a velocidades supersónicas. Como no tienen medios mecánicos de compresión, los estatorreactores no pueden arrancar desde parados y, por lo general, no logran la compresión suficiente hasta el vuelo supersónico. La falta de turbomaquinaria intrincada permite que los estatorreactores se enfrenten al 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 debida a la combustión del combustible se vuelve menor, lo que conduce a una disminución de la eficiencia del motor. Esto conduce a una disminución del empuje generado por los estatorreactores a velocidades más altas.

Por lo tanto, para generar empuje a velocidades muy altas, se debe controlar estrictamente el aumento de la presión y la temperatura del flujo de aire entrante. En particular, esto significa que no se puede permitir la desaceleración del flujo de aire a una velocidad subsónica. En tal configuración, no solo la mezcla de combustible con aire presenta un desafío de ingeniería, sino que también la velocidad de combustión en las mezclas de aire y combustible se convierte en una preocupación. Además, debe maximizarse el aumento relativo de energía interna en la cámara de combustión. En consecuencia, la tecnología actual de scramjet requiere el uso de combustibles de alta energía y esquemas de enfriamiento activo para mantener una operación sostenida, a menudo usando hidrógeno y técnicas de enfriamiento regenerativo.

Teoría

Todos los motores scramjet 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 soporte de llama, aunque las altas temperaturas de estancamiento significan que se puede usar un área de ondas enfocadas, en lugar de una parte discreta del motor como se ve en los motores de turbina. Otros motores usan aditivos de combustible pirofóricos, como silano, para evitar que se apaguen. 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 extender el rango operativo del motor.

Las imágenes de ondas de choque de la Universidad de Maryland utilizando imágenes de Schlieren determinaron que la mezcla de combustible controla la compresión mediante la creación de contrapresión y ondas de choque que ralentizan y comprimen el aire antes de la ignición, como el 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 ralentizaba y comprimía el aire antes de la ignición.

Imagen de dinámica de fluidos computacionales (CFD) de la NASA X-43A con scramjet unido a la parte inferior de Mach 7

Un scramjet recuerda a un estatorreactor. En un estatorreactor típico, el flujo de entrada supersónico del motor se desacelera en la entrada a velocidades subsónicas y luego se vuelve a acelerar a través de una boquilla 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.

Para un scramjet, la energía cinética del flujo libre de aire que ingresa al motor scramjet es en gran medida comparable a la energía liberada por la reacción del contenido de oxígeno del aire con un combustible (p. ej., hidrógeno). Por lo tanto, el calor liberado por la combustión en Mach 2,5 es aproximadamente el 10 % de la entalpía total del fluido de trabajo. Según el combustible, la energía cinética del aire y la liberación potencial de calor de combustión serán iguales en alrededor de Mach 8. Por lo tanto, el diseño de un motor scramjet se trata tanto de minimizar la resistencia como de maximizar el empuje.

Esta alta velocidad dificulta el control del flujo dentro de la cámara de combustión. Dado que el flujo es supersónico, ninguna influencia aguas abajo se propaga dentro de la corriente libre de la cámara de combustión. La estrangulación de la entrada a la tobera de empuje no es una técnica de control utilizable. En efecto, un bloque de gas que ingresa a la cámara de combustión debe mezclarse con el combustible y tener tiempo suficiente para iniciarse y reaccionar, todo mientras viaja supersónicamente a través de la cámara de combustión, antes de que el gas quemado se expanda a través de la boquilla de empuje. Esto impone requisitos estrictos sobre la presión y la temperatura del flujo, y requiere que la inyección de combustible y la mezcla sean extremadamente eficientes. Las presiones dinámicas utilizables se encuentran en el rango de 20 a 200 kilopascales (2,9 a 29,0 psi), donde

q=12*** *** v2{displaystyle q={2}rho v^{2}

dónde

q es la presión dinámica del gas

*** (rho) es la densidad del gas

v es la velocidad del gas

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 de flujo de aire que facilitarían esto no son físicamente posibles en un vehículo de lanzamiento scramjet 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 mayores altitudes, un scramjet 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 "ruta de presión dinámica constante". Se cree que los scramjets podrían funcionar hasta una altitud de 75 km.

La administración y la inyección de combustible también son potencialmente complejas. Una posibilidad sería que el combustible sea presurizado a 100 bar por una bomba turbo, calentado por el fuselaje, enviado a través de la turbina y acelerado a velocidades más altas que el aire por una boquilla. 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 conduce a 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 operar un scramjet está limitado por el hecho de que el flujo comprimido debe estar lo suficientemente caliente 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 posterior del motor. Además, para ser llamado scramjet, el flujo comprimido aún debe ser 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) para no ralentizar el gas por debajo de Mach 1. Si el gas dentro de un scramjet desciende 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 scramjets ya que las ondas provocadas 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 aumente la velocidad del sonido en el gas (y que disminuya el número de Mach) aunque el gas sigue viajando a la misma velocidad. Forzar la velocidad del flujo de aire en la cámara de combustión por debajo de Mach 1 de esta forma se denomina "ahogo térmico". Está claro que un scramjet puro puede operar a números de Mach de 6 a 8, pero en el límite inferior, depende de la definición de un scramjet. Hay diseños de motores en los que un ramjet se transforma en un scramjet en el rango de Mach 3–6, conocidos como scramjets de modo dual. Sin embargo, en este rango, el motor aún recibe 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 en tierra han obstaculizado el desarrollo de scramjet. Una gran parte del trabajo experimental en scramjets 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), las instalaciones calentadas de almacenamiento, las instalaciones de arco y los diversos tipos de túneles de choque tienen limitaciones que han impedido la simulación perfecta del funcionamiento del scramjet. 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 de NASA-CIAM proporcionaron una verificación similar para la instalación C-16 V/K de CIAM y se espera que el proyecto Hyper-X proporcione una verificación similar para Langley AHSTF, CHSTF y HTT de 8 pies (2,4 m).

La dinámica de fluidos computacional ha alcanzado recientemente  una posición que le permite realizar cálculos razonables para resolver problemas de operación de scramjet. El modelado de capa límite, la mezcla turbulenta, el flujo de dos fases, la separación de flujo y la aerotermodinámica de gas real siguen siendo problemas en la vanguardia de la CFD. Además, el modelado de la combustión limitada por la cinética con especies de reacción muy rápida, como el hidrógeno, exige mucho de los recursos informáticos. Los esquemas de reacción son numéricamente rígidos y requieren esquemas de reacción reducidos.

Gran parte de la experimentación con scramjet permanece clasificada. Varios grupos, incluida la Marina de los EE. UU. con el motor SCRAM entre 1968 y 1974, y el programa Hyper-X con el X-43A, han realizado demostraciones exitosas de la tecnología scramjet. Dado que estos resultados no se han publicado abiertamente, siguen sin verificarse y todavía no existe un método de diseño final de los motores scramjet.

Es probable que la aplicación final de un motor scramjet sea junto con motores que puedan operar fuera del rango operativo del scramjet. Los scramjets 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 scramjet, lo que permite agregar oxidante adicional al flujo del scramjet.. Los RBCC ofrecen la posibilidad de extender el rango operativo de un scramjet a velocidades más altas o presiones dinámicas de admisión más bajas de lo que sería posible de otro modo.

Ventajas y desventajas de los scramjets

Ventajas

1. No tiene que cargar oxígeno
2. Sin piezas giratorias hace más fácil la fabricación que un turbojet
3. Tiene un impulso específico más alto (cambio de impulso por unidad de propulsión) que un motor de cohetes; podría proporcionar entre 1000 y 4000 segundos, mientras que un cohete normalmente proporciona alrededor de 450 segundos o menos.
4. La mayor velocidad podría significar un acceso más barato al espacio ultraterrestre en el futuro

Desventajas

1. Pruebas difíciles / costosas y desarrollo
2. Requisitos de propulsión inicial muy altos

Refrigeración y materiales especiales

A diferencia de un cohete que pasa rápidamente a través de la atmósfera en su mayor parte verticalmente o un turborreactor o un estatorreactor que vuela a velocidades mucho más bajas, un vehículo hipersónico que respira aire vuela de manera óptima en una 'trayectoria deprimida', permaneciendo dentro de la atmósfera a velocidades hipersónicas.. Debido a que los scramjets tienen solo relaciones mediocres de empuje a peso, la aceleración sería limitada. Por lo tanto, el tiempo en la atmósfera a velocidad supersónica sería considerable, posiblemente de 15 a 30 minutos. Similar a un vehículo espacial que vuelve a entrar, el aislamiento térmico sería una tarea formidable, con una protección requerida por una duración más larga que la de una cápsula espacial típica, aunque menos que el 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 suelen planificar la "refrigeración activa", en la que el refrigerante que circula por el revestimiento 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 enfriamiento agregan peso y complejidad a un sistema de lanzamiento. El enfriamiento de los scramjets de esta manera puede dar como resultado una mayor eficiencia, ya que se agrega calor al combustible antes de ingresar al motor, pero da como resultado una mayor complejidad y peso que, en última instancia, podría superar cualquier ganancia de rendimiento.

Rendimiento del vehículo

El impulso específico de varios motores

El rendimiento de un sistema de lanzamiento es complejo y depende en gran medida de su peso. Normalmente la artesanía está diseñada para maximizar el rango (R{displaystyle R.), radio orbital (R{displaystyle R.) o fracción de masa de carga útil (.. {displaystyle "Gamma") para un motor dado y combustible. Esto resulta en desvíos entre la eficiencia del motor (peso de toma de combustible) y la complejidad del motor (peso seco de absorción), que se puede expresar por los siguientes:

▪ ▪ e+▪ ▪ f+1.. =1{displaystyle Pi _{text{e}+ Pi... {1}{Gamma }=1}

Dónde:

• ▪ ▪ e=mvacíominicial{displaystyle Pi _{text{e}={frac {m_{text{empty} {m_{initial}}} {m_{initial}}} {m_{text{initial}}}} {m_{text{initial}}}} {f}} {f}} {f}}} {f}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} es la fracción de masa vacía, y representa el peso de la superestructura, el tanque y el motor.
• ▪ ▪ f=mcombustibleminicial{displaystyle Pi _{text{f}={frac {m_{text{fuel}} {m_{text{initial}}} {f}} {f}} {f}} {f}}} {f}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m}} {m_m}} {m}} {m}} {m} {m} {f} {f} {f}}} {f} {f}}}}} { es la fracción de masa de combustible, y representa el peso del combustible, el óxido y cualquier otro material que se consume durante el lanzamiento.
• .. =minicialmcarga útil{displaystyle Gamma ={frac {m_{text{initial}} {m_{text{payload}}}} {m_{text{payload}}}} {m_{f} {f}} {f} {f}}}}} {f}}}} {f}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m} {f}} {f} {f} {f}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { es la relación de masa inicial, y es el inverso de la fracción de masa de carga útil. Esto representa la cantidad de carga útil que el vehículo puede entregar a un destino.

Un scramjet aumenta la masa del motor ▪ ▪ e{displaystyle "Pi" sobre un cohete, y disminuye la masa del combustible ▪ ▪ f{displaystyle "Pi". Puede ser difícil decidir si esto dará lugar a un aumento .. {displaystyle "Gamma" (que sería un aumento de la carga útil entregada a un destino por un peso constante de despegue del vehículo). La lógica detrás de los esfuerzos que impulsan un scramjet es (por ejemplo) que la reducción del 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. Lamentablemente, la incertidumbre en el cálculo de cualquier cambio de masa o eficiencia en un vehículo es tan grande que supuestos ligeramente diferentes para la eficiencia o masa del motor pueden proporcionar argumentos igualmente buenos para o contra los vehículos propulsados por scramjet.

Además, se debe considerar el arrastre de la nueva configuración. El arrastre de la configuración total se puede considerar como la suma del arrastre del vehículo (D{displaystyle D}) y el arrastre de instalación del motor (De{displaystyle D_{text{e}}). El arrastre de instalación tradicionalmente resulta de los pilones y el flujo acoplado debido al jet del motor, y es una función del ajuste del acelerador. Así se escribe a menudo como:

De=φ φ eF{displaystyle ¿Qué?

Dónde:

• φ φ e{displaystyle phi _{e}} es el coeficiente de pérdida
• F{displaystyle F} es el impulso del motor

Para un motor fuertemente integrado en el cuerpo aerodinámico, puede ser más conveniente pensar en (De{displaystyle D_{text{e}}) como la diferencia de arrastre de una configuración base conocida.

La eficiencia general del motor se puede representar como un valor entre 0 y 1 (.. 0{displaystyle eta ¿Qué?), en términos del impulso específico del motor:

.. 0=g0V0hPRIsp=Potencia de empujeTasa de energía química{displaystyle eta ¿Qué? {fnK}I_{text{f} {fn}={f}={f}}={f} {f} {f}}} {f} {f}}} {f}}}} {f}}}} {f}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {\f}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\f}\\f}\\\\\\f}\\f}\\\f}f}\\\f}f}\f}f}f}fn {mbox{mbox} {mbox{mbox} la tasa de energía

Dónde:

• g0{displaystyle G_{0} es la aceleración debido a la gravedad a nivel terrestre
• V0{displaystyle V_{0} es la velocidad del vehículo
• Isp{displaystyle Yo... es el impulso específico
• hPR{displaystyle h_{text{PR}}} es el calor del combustible de la reacción

El impulso específico se utiliza a menudo como unidad de eficiencia para cohetes, ya que en el caso del cohete hay una relación directa entre impulso específico, consumo específico de combustible y velocidad de escape. Esta relación directa no está generalmente presente para los motores respiratorios, y por lo tanto el impulso específico es menos utilizado en la literatura. Tenga en cuenta que para un motor respiratorio, ambos .. 0{displaystyle eta ¿Qué? y Isp{displaystyle Yo... son una función de velocidad.

El impulso específico de un motor de cohete es independiente de la velocidad, y los valores comunes están entre 200 y 600 segundos (450 s para los motores principales del transbordador espacial). El impulso específico de un scramjet varía con la velocidad, reduciéndose a velocidades más altas, a partir de aproximadamente 1200 s, aunque los valores en la literatura varían.

Para el caso simple de un vehículo de una sola etapa, la fracción de masa de combustible se puede expresar como:

▪ ▪ f=1− − exp⁡ ⁡ [− − ()Vinicial22− − Vi22)+∫ ∫ gdr.. 0hPR()1− − D+DeF)]{displaystyle Pi _{text{f}=1-exp left[-{frac {left({frac {V_{text{initial}}}{2}}{2}-{frac} [V_{i}{2} {2}right)+int {g}{i}{e]} {i}}{2}}}}}derecho)+int {g}g} {i} {i} {i} {i} {i}} {i}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}dere}}}dere}}dere}dere}derech}sigualgo)}sigu}}sigu}sigu}sigu]}sigu}s}sigu}}s}s}s}in {in {s}in}s}s}sigualgo)}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}s}}}s} ¿Por qué?

Donde esto se puede expresar para la transferencia a órbita en una sola etapa como:

▪ ▪ f=1− − exp⁡ ⁡ [− − g0r0()1− − 12r0r).. 0hPR()1− − D+DeF)]{displaystyle Pi _{text{f}=1-exp left[-{frac {g_{0}r_{0}left(1-{frac {1}{2}{frac {r} {r}}} {derecha)}{eta ¿Por qué?

o para vuelo atmosférico nivelado desde lanzamiento aéreo (vuelo de misiles):

▪ ▪ f=1− − exp⁡ ⁡ [− − g0R.. 0hPR()1− − φ φ e)CLCD]{displaystyle Pi _{text{f}=1-exp left[-{frac {g_{0}R}{eta ¿Por qué? {C_{text{L}} {C_{text{D}}}}}derecha]

Donde R{displaystyle R. es el rango, y el cálculo se puede expresar en la forma de la fórmula del rango Breguet:

▪ ▪ f=1− − e− − BRB=g0.. 0hPR()1− − φ φ e)CLCD{displaystyle {begin{aligned} Pi... {g_{0}{eta ¿Por qué? {C_{text{L}} {C_{text{D}}}end{aligned}}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

Dónde:

• CL{displaystyle C_{text{L}} es el coeficiente de elevación
• CD{displaystyle C_{text{D}} es el coeficiente de arrastre

Esta formulación extremadamente simple, utilizada con fines de discusión, asume:

• Vehículo monoplaza
• Sin ascensor aerodinámico para el elevador transatmosférico

Sin embargo, generalmente son ciertas para todos los motores.

Requisitos iniciales de propulsión

Un scramjet no puede producir un empuje eficiente a menos que sea impulsado 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 turboventiladores, turborreactores o cohetes convencionales 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 turboventiladores y turborreactores son pesados y no pueden superar fácilmente Mach 2–3, por lo que se necesitaría otro método de propulsión para alcanzar la velocidad de funcionamiento del scramjet. Podrían ser estatorreactores o cohetes. Esos también necesitarían su propio suministro de combustible, estructura y sistemas separados. En cambio, muchas propuestas exigen una primera etapa de propulsores de cohetes sólidos lanzables, lo que simplifica enormemente el diseño.

Dificultades de prueba

Prueba de Pratt & Whitney Rocketdyne SJY61 motor scramjet para el Boeing X-51

A diferencia de las instalaciones de sistemas de propulsión a chorro o de cohetes que se pueden probar en tierra, las pruebas de diseños de scramjet utilizan cámaras de prueba hipersónicas extremadamente caras o vehículos de lanzamiento costosos, los cuales generan altos costos de instrumentación. Las pruebas que utilizan vehículos de prueba lanzados generalmente terminan con la destrucción del elemento de prueba y la instrumentación.

Ventajas y desventajas de los vehículos orbitales

Propelente

Una ventaja de un vehículo de respiración de aire hipersónico (típicamente scramjet) 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 (LH₂), 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 propulsores de cohetes sólidos muy potentes con un peso de 590 000 kg cada uno. Si se pudiera eliminar el oxígeno, el vehículo podría ser más liviano al despegar y posiblemente transportar más carga útil.

Por otro lado, los scramjets 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/m³), el hidrógeno líquido tiene una densidad mucho menor (70,85 kg/m³) y ocupa más volumen. Esto significa que el vehículo que utiliza este combustible se vuelve mucho más grande y proporciona más resistencia. Otros combustibles tienen una densidad más comparable, como RP-1 (810 kg/m³) JP-7 (densidad a 15 °C 779–806 kg/m³) y dimetilhidrazina asimétrica (UDMH) (793,00 kg/m³).

Relación empuje-peso

Un problema es que se prevé que los motores scramjet tengan una relación empuje-peso excepcionalmente baja de alrededor de 2, cuando se instalan en un vehículo de lanzamiento. Un cohete tiene la ventaja de que sus motores tienen relaciones de peso de empuje muy altas (~100:1), mientras que el tanque para contener el oxígeno líquido también se aproxima a una relación de volumen de ~100:1. Por lo tanto, un cohete puede alcanzar una fracción de masa muy alta, lo que mejora el rendimiento. A modo de contraste, la relación empuje/peso proyectada de los motores scramjet 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 costosas, voluminosas y propensas a fallas turbobombas de alto rendimiento que se encuentran en los motores de cohetes de combustible líquido convencionales, ya que la mayoría de los diseños de scramjet parecen ser incapaces de velocidades orbitales en modo de respiración de aire y, por lo tanto, se necesitan motores de cohetes adicionales.

Necesidad de propulsión adicional para alcanzar la órbita

Los Scramjets podrían acelerar desde aproximadamente Mach 5–7 hasta alrededor de la mitad de la velocidad orbital y la velocidad orbital (la investigación 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 scramjet puro entre Mach 10 y 25, según 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 scramjets es alta, los cohetes de menor rendimiento, como los sólidos, los hipergólicos o los propulsores simples de combustible líquido, podrían ser aceptables.

Las proyecciones teóricas sitúan la velocidad máxima de un scramjet entre Mach 12 (14 000 km/h; 8400 mph) y Mach 24 (25 000 km/h; 16 000 mph). A modo de comparación, la velocidad orbital a 200 kilómetros (120 mi) de la órbita terrestre baja es de 7,79 kilómetros por segundo (28 000 km/h; 17 400 mph).

Reingreso

La parte inferior resistente al calor del scramjet funciona potencialmente como su sistema de reentrada si se visualiza un vehículo de una sola etapa en órbita que utiliza refrigeración no ablativa y no activa. Si se usa un blindaje ablativo en el motor, probablemente no se podrá usar después del ascenso a la órbita. Si se utiliza refrigeración activa con el combustible como refrigerante, la pérdida de todo el combustible durante la puesta en órbita significará también la pérdida de toda la refrigeración del sistema de protección térmica.

Costos

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 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 scramjet parece ser mucho más pesado que los cohetes para cualquier carga útil.. Aún así, si los scramjets permiten vehículos reutilizables, esto podría ser teóricamente un beneficio económico. No está claro si el equipo sujeto a las condiciones extremas de un scramjet se puede reutilizar suficientes veces; todas las pruebas de scramjet voladas solo sobreviven por períodos cortos y nunca han sido diseñadas para sobrevivir a un vuelo hasta la fecha.

El costo final de dicho vehículo es objeto de un intenso debate, ya que incluso las mejores estimaciones no están de acuerdo sobre si un vehículo scramjet sería ventajoso. Es probable que un vehículo scramjet necesite levantar más carga que un cohete del mismo peso de despegue para ser igualmente rentable (si el scramjet es un vehículo no reutilizable).

Problemas

Los vehículos de lanzamiento espacial pueden o no beneficiarse de tener una etapa scramjet. En teoría, una etapa scramjet de un vehículo de lanzamiento proporciona un impulso específico de 1000 a 4000 s, mientras que un cohete proporciona menos de 450 s mientras en la atmósfera. Sin embargo, el impulso específico de un scramjet disminuye rápidamente con la velocidad y el vehículo sufriría una relación de elevación a resistencia relativamente baja.

La relación empuje-peso instalada de los scramjets se compara muy desfavorablemente con el 50-100 de un motor de cohete típico. Esto se compensa en los scramjets en parte porque el peso del vehículo sería transportado por sustentación aerodinámica en lugar de pura potencia de cohete (dando como resultado 'pérdidas de gravedad' reducidas), pero los scramjets tardarían mucho más en llegar a la órbita debido a menor empuje que compensa en gran medida la ventaja. El peso de despegue de un vehículo scramjet se reduce significativamente con respecto al 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 ser reutilizable o no, sigue siendo un tema de debate e investigación.

Aplicaciones propuestas

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 poner 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 útiles. Además, algunos países prohíben o sancionan a los aviones comerciales y otras aeronaves civiles que crean explosiones sónicas. (Por ejemplo, en los Estados Unidos, las normas de la FAA prohíben los vuelos supersónicos sobre tierra en aeronaves civiles. )

Se ha propuesto un vehículo Scramjet para un vehículo de conexión de una sola etapa, en el que una conexión orbital giratoria Mach 12 recogería una carga útil de un vehículo a unos 100 km y la transportaría. orbitar.