Aerospike

El motor aerospike es un tipo de motor cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica dentro de un amplio rango de altitud gracias al uso de una boquilla aerospike, que es capaz de compensar los efectos de la altitud. Un avión equipado con este motor utiliza un 25% -30% menos de combustible a baja altitud, donde la mayoría de las misiones necesitan el máximo empuje. Los motores Aerospike han sido estudiados durante muchos años y son la opción principal para muchos proyectos de aeronaves SSTO (de una etapa a órbita); fueron la principal alternativa para el motor principal del transbordador espacial. Actualmente, sin embargo, ningún motor aerospike está en uso o producido comercialmente. Los mejores motores aerospike todavía están siendo probados. La terminología técnica en este campo sigue siendo confusa: el término aerospike se utilizó originalmente para designar una boquilla de tronco de cono en la que se inyectaba un "tapón de aire" para compensar la falta de la parte superior del cono.

El concepto básico de cualquier boquilla de cohete bell tradicional es expandir efectivamente los gases de combustión acelerándolos en una sola dirección. La masa de los gases de combustión después de la combustión tiene un impulso sustancialmente aleatorio: si se expandiera sin guía, solo una pequeña parte contribuiría al empuje del cohete. La boquilla de campana limita lateralmente los gases, permitiéndoles expandirse a una presión igual a la externa (condiciones de diseño). El problema con este enfoque es que funciona bien solo para una presión atmosférica externa particular: si la presión de aire en la salida de la boquilla es menor que la del proyecto, la eficiencia disminuye debido a los componentes radiales del chorro en la salida, si la presión externa es mayor que desarrollar turbulencia en el flujo de los gases de escape y la vibración mecánica de la propia boquilla. Un vehículo cohete que comienza desde el suelo ve la eficiencia de sus cohetes disminuir en un 30% a medida que aumenta en altitud.

Un motor de cohete normal utiliza una boquilla de campana para impulsar la expansión de los gases de combustión, aumentando el empuje útil y, por lo tanto, la aceleración que puede impartir al vehículo. El diseño ideal de la boquilla es diferente dependiendo de la presión externa en la que debe operar: a bajas presiones (en atmósfera alta) se necesita una campana bastante grande, mientras que a presiones más altas, como en el suelo, una campana mucho más pequeña es suficiente. La pérdida de eficiencia resultante de una boquilla incorrecta puede ser significativa: por ejemplo, el motor principal del transbordador espacial tiene una velocidad de escape de 4. 400 metros por segundo en el espacio, pero solo 3. 500 a nivel del mar. La boquilla de campana de un motor cohete está diseñada de acuerdo con la presión atmosférica promedio a la que funcionará el motor, y es una opción muy importante en el diseño de cada motor. El aerospike trata de eliminar este problema en la raíz. En cambio, para dejar salir las emisiones de escape de un pequeño agujero en la parte superior de una campana, estos se hacen para deslizarse a lo largo de la superficie exterior de una cuña cónica, el "pico" , que tiene la misma curvatura de la superficie interior de la boquilla, una campana tradicional: los gases se comprimen entre la superficie de la punta y la misma que la presión atmosférica externa, por la que el nombre de aero - pico. La parte truncada final de la espiga se llena a baja altitud por la turbulencia del escape de los gases (y en algunos modelos por el escape de las turbobombas de los motores) que llevan la presión en esa zona casi al nivel de la externa; por lo tanto no actúa como un freno aerodinámico, como lo sería si un vacío parcial A medida que el vehículo aumenta en altitud, la presión del aire disminuye, lo que permite que los gases de combustión se expandan más, pero también disminuye la presión en la parte superior del motor, por lo que el efecto general disminuye ligeramente. En cambio, la zona de recirculación bajo la muesca del pico mantiene la presión de una fracción sustancial de 1 bar, que no se contrarresta por el vacío cercano en el que mueve el vehículo y, por lo tanto, aumenta el empuje general del motor a grandes altitudes. En teoría, el aerospike es ligeramente menos eficiente que una boquilla de campana diseñada para una altitud dada, pero resulta más eficiente en cualquier otra altitud. Los proyectos típicos de aerospike tienen consistentemente más del 90% de eficiencia en todas las cuotas. Las desventajas de las aerospikes son el mayor peso del motor, tanto para el pico como para el sistema de enfriamiento que evita que la superficie en contacto con el flujo de gas se derrita. Además, el enfriamiento superficial elimina el calor (y por lo tanto la velocidad) de los gases, disminuyendo el empuje. Además, los motores aerospike funcionan menos bien en el rango de velocidades Mach 1 a Mach 3, donde el flujo aerodinámico tiende a separarse del vehículo, reduciendo la eficiencia. Hay muchas variantes del diseño original, que en su mayoría consisten en Picos de forma diferente. En el aerospike toroidal, la espiga tiene forma de cuenco, mientras que los gases de escape salen de un anillo alrededor del borde exterior. En teoría, este proyecto requeriría una espiga infinitamente larga, pero se puede lograr una eficiencia aceptable bombeando gas desde el Centro de una espiga truncada más corta. El aerospike lineal normal, en el que la espiga es una cuña cónica en la que los gases salen de su parte gruesa y fluyen a lo largo de las superficies laterales curvas, tiene la ventaja de poder usarse en batería: es posible crear un motor aerospike grande montando en fila muchos Aerospike lineales pequeños. De esta manera, el guiñado de la aeronave se puede controlar variando individualmente la potencia de los motores de componentes individuales.

El Rocketdyne en los años sesenta llevó a cabo una larga serie de pruebas en varios modelos. Los proyectos posteriores se basaron en la mecánica confiable y bien probada de su motor, El J-2 y producen el mismo empuje del motor convencional en el que se basaron: 890 kN para el J - 2T - 200K, y 1, 1 MN para el j - 2T - 250k (la T se refiere a la cámara de combustión, que era la toroidal). Treinta años más tarde, el trabajo de Rocketdyne fue desempolvado por la NASA para su uso en el Programa X - 33. En esta versión se utilizaron los mecánicos J - 2s, ligeramente mejorados, dando lugar al prototipo XRS - 2200. Después de muchas pruebas y un mayor desarrollo, el Programa X - 33 fue cancelado debido a las continuas fallas del tanque compuesto. Tres motores XRS - 2200 fueron construidos durante el Programa X-33, todos probados en el Centro Espacial Stennis de la NASA. Las pruebas en motores individuales tuvieron éxito, pero el programa fue abortado antes de que el prototipo de dos motores estuviera listo. El XRS-2200 produce 910kn de empuje con un I sp de 339 segundos a nivel del mar, y 1.184 MN con un I sp de 436.5 segundos en vacío. El motor RS - 2200 más grande todavía se deriva del XRS - 2200 y se suponía que debía equipar al vehículo Ssto VentureStar. En el último proyecto, se suponía que siete motores RS-2200 desarrollarían 2.4 MN cada uno y permitirían a VentureStar entrar en órbita terrestre baja. El desarrollo del RS - 2200 se detuvo oficialmente a principios de 2001, cuando el Programa X-33 no recibió fondos de la iniciativa de lanzamiento espacial : Lockheed Martin decidió no continuar el desarrollo del VentureStar sin el apoyo financiero de la NASA. Aunque la cancelación del X-33 fue un golpe a la tecnología aerospike, no detuvo su desarrollo. Un hito se alcanzó en 2003, cuando un equipo conjunto de investigación académica e industrial de la Universidad Estatal de California, Long Beach (CSULB) y la Garvey Spacecraft Corporation completó con éxito el vuelo de prueba de un motor aerospike de propulsor líquido, el 20 de septiembre en el desierto de Mojave. Los estudiantes de CSULB habían construido su cohete P-2 (Prospector 2) con un motor aerospike lox/etanol de 4.4 KN. El trabajo en este motor continúa hoy: Prospector 10, una versión con 10 cámaras de combustión, se probó con éxito el 25 de junio de 2008. En marzo de 2004 se hicieron nuevos progresos cuando se completaron con éxito dos pruebas en el Centro de Investigación de vuelos Dryden de la NASA utilizando cohetes de pequeña escala producidos por la BlackSky Corporation, con sede en Carlsbad. Los dos cohetes estaban propulsados por combustible sólido y equipados con boquillas toroidales Aerospike no troncos en el extremo. Los cohetes alcanzaron una altitud de 26.000 pies y velocidades de aproximadamente Mach 1. 5. El desarrollo de motores aerospike a pequeña escala utilizando un cohete híbrido fue llevado a cabo por miembros de la Reaction Research Society. Un nuevo equipo de I + D llamado Stoffelcorp Aerospace(Sasquatch Aerospace Research & development) desarrolló recientemente y realizó con éxito pruebas estáticas de un cohete híbrido equipado con una boquilla aerospike en julio de 2006. Más pruebas estáticas y de vuelo de motores de cohetes híbridos con aerospike han estado en marcha desde 2008.

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