Motor aerospike
El motor aerospike es un tipo de motor de cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica en un amplio rango de altitudes. Pertenece a la clase de motores de toberas compensadoras de altitud. Los motores Aerospike se han estudiado durante varios años y son los motores de referencia para muchos diseños de etapa única a órbita (SSTO) y también fueron un fuerte competidor para el motor principal del transbordador espacial. Sin embargo, ningún motor de este tipo está en producción comercial, aunque algunos aerospikes a gran escala se encuentran en fases de prueba.
La terminología en la literatura que rodea este tema es un tanto confusa: el término aerospike se usó originalmente para una boquilla de tapón truncado con un cono cónico muy rugoso y algo de inyección de gas, formando un " punta de aire" para ayudar a compensar la ausencia de la cola del enchufe. Sin embargo, con frecuencia, una boquilla de tapón de longitud completa ahora se llama aerospike.
Principios
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 impulso efectivamente aleatoria (es decir, el escape empuja en cualquier dirección que pueda). Si se permite que el escape escape de esta forma, solo 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 moviéndose en la dirección incorrecta para que genere empuje en la dirección correcta. La presión del aire ambiental también imparte una pequeña presión contra el escape, lo que ayuda a mantenerlo en movimiento hacia la 'derecha'. dirección a medida que sale del motor. A medida que el vehículo viaja hacia arriba a través de la atmósfera, la presión del aire ambiental se reduce. Esto hace que el escape generador de empuje comience a expandirse fuera del borde de la campana. Dado que este escape comienza a viajar en el "equivocado" dirección (es decir, hacia afuera de la columna de escape principal), la eficiencia del motor se reduce a medida que el cohete viaja porque este escape de escape ya no contribuye al empuje del motor. Un motor de cohete aerospike busca eliminar esta pérdida de eficiencia.
En lugar de disparar los gases de escape por un pequeño orificio en el medio de una campana, un motor de punta aérea evita esta distribución aleatoria disparando a lo largo del borde exterior de una protuberancia en forma de cuña, la "punta", que cumple la misma función que una campana de motor tradicional. La espiga forma un lado de un "virtual" campana, estando el otro lado formado por el aire exterior.
La idea detrás del diseño del aerospike es que, a baja altura, la presión ambiental comprime el escape contra el Spike. La recirculación de gases de escape en la zona base del pico puede elevar la presión en esa zona casi a la ambiente. Dado que la presión frente al vehículo es ambiental, esto significa que el escape en la base de la espiga casi se equilibra con la resistencia que experimenta el vehículo. No da empuje general, pero esta parte de la boquilla tampoco pierde empuje al formar un vacío parcial. El empuje en la parte de la base de la tobera se puede ignorar a baja altura.
A medida que el vehículo sube a mayores altitudes, la presión del aire que mantiene el escape contra la espiga disminuye, al igual que la resistencia frente al vehículo. La zona de recirculación en la base del pico mantiene la presión en esa zona a una fracción de 1 bar, más alta que el vacío cercano al frente del vehículo, lo que proporciona un empuje adicional a medida que aumenta la altitud. Esto se comporta efectivamente como un "compensador de altitud" en que el tamaño de la campana se compensa automáticamente a medida que cae la presión del aire.
Las desventajas de las puntas aerodinámicas parecen ser el peso extra para la punta. 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, lo que reduce el empuje.
Variaciones
Existen varias versiones del diseño, diferenciadas por sus formas. En el espiga aerodinámica toroidal, la espiga tiene forma de cuenco y el escape sale en forma de anillo alrededor del borde exterior. En teoría, esto requiere un pico infinitamente largo para una mejor eficiencia, pero al expulsar una pequeña cantidad de gas del centro de un pico truncado más corto (como el sangrado de la base en un proyectil de artillería), se puede lograr algo similar.
En el aeroespique lineal, el espiga consta de una placa ahusada en forma de cuña, con salidas de escape a cada lado en el "grueso" fin. Este diseño tiene la ventaja de ser apilable, lo que permite colocar varios motores más pequeños en una fila para hacer un motor más grande mientras aumenta el rendimiento de la dirección con el uso del control de aceleración del motor individual.
Rendimiento
Rocketdyne realizó 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 combustión toroidal cámara). 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 se canceló 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 de un solo motor fueron un éxito, pero el programa se detuvo antes de que se pudieran completar las pruebas para la configuración de dos motores. El XRS-2200 produce un empuje de 204 420 lbf (909 300 N) con un Isp de 339 segundos al nivel del mar y un empuje de 266 230 lbf (1 184 300 N) con un Isp de 436,5 segundos en el vacío.
El motor lineal Aerospike RS-2200 se derivó del XRS-2200. El RS-2200 debía impulsar el vehículo de órbita de una sola etapa VentureStar. En el último diseño, siete RS-2200 que producen 542 000 libras de fuerza (2410 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 fondos 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 redujo la disponibilidad de fondos, pero los motores aerospike siguen siendo un área de investigación activa. Por ejemplo, se logró un hito cuando un equipo académico/industrial conjunto de la Universidad Estatal de California, Long Beach (CSULB) y Garvey Spacecraft Corporation realizaron con éxito una prueba de vuelo de un motor aerospike propulsado por combustible 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 lbf (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.
Otros avances se produjeron en marzo de 2004 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 toberas 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 estaban propulsados por combustible sólido y 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.
Miembros de la Sociedad de Investigación de Reacción han estado desarrollando motores de puntas aéreas 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 de forma aditiva. Ya se ha probado un prototipo en una celda de prueba en el Instituto de Ingeniería Aeroespacial de TU Dresden, logrando un tiempo de combustión de 30 segundos.
Implementaciones
Luciérnaga aeroespacial
En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció su lanzador Alpha planeado que usa 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 millones y 9 millones de dólares, mucho más bajo que con los lanzadores convencionales.
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 de bujías produce 90 000 libras de fuerza (400 kN) de empuje. El motor tiene una tobera en forma de campana que se ha cortado por la mitad y luego se ha estirado para formar un anillo con la media tobera ahora formando el perfil de un tapón.
Este diseño de cohete nunca se lanzó. El diseño fue abandonado después de que Firefly Space Systems quebrara. Una nueva compañía, Firefly Aerospace, ha reemplazado el motor aerospike con un motor convencional en el diseño Alpha 2.0. Sin embargo, la compañía ha propuesto Firefly Gamma, un avión espacial parcialmente reutilizable con motores aerospike.
Espacio ARCA
En marzo de 2017, ARCA Space Corporation anunció su intención de construir un cohete a órbita de una sola etapa (SSTO, por sus siglas en inglés), llamado Haas 2CA, utilizando un motor lineal aerospike. El cohete está diseñado para enviar hasta 100 kg a la órbita terrestre baja, a un precio de 1 millón de dólares por lanzamiento. 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.
En junio de 2017, ARCA anunció que volaría su cohete Demonstrator3 al espacio, también utilizando un motor aerospike lineal. Este cohete fue diseñado para probar varios componentes de su Haas 2CA a un costo menor. Anunciaron un vuelo para agosto de 2017. En septiembre de 2017, ARCA anunció que, luego de un retraso, su motor aerospike lineal estaba listo para realizar pruebas en tierra y pruebas de vuelo en un cohete Demonstrator3.
El 20 de diciembre de 2019, ARCA probó el motor de cohete de vapor aerospike LAS 25DA para el sistema de asistencia de lanzamiento.
Espacio KSF y espacio interestelar
Otro modelo de concepto de motor de punta, 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.
Cohete estrella
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 por motivos de seguridad. Están trabajando en un segundo intento de lanzamiento.
Pangea Aeroespacial
En noviembre de 2021, Pangea Aerospace, con sede en España, comenzó las pruebas en caliente de su motor aerospike de metano-oxígeno de demostración a pequeña escala DemoP1.
Después de probar con éxito el demostrador DemoP1, Pangea planea escalar al motor ARCOS de 300 kN.
Espacio de Stoke
Con sede en Kent, Washington, Stoke Space está construyendo y probando un sistema de aeroespigas LH2/LOX de arquitectura distribuida para su segunda etapa reutilizable.
Contenido relacionado
Leo (computadora)
Radiosidad (gráficos por computadora)
Mediciones de temperatura por satélite