El motor aerospike es un tipo de motor de cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica en una amplia gama de altitudes . [1] Pertenece a la clase de motores de tobera compensadora de altitud . Un vehículo con un motor aerospike usa entre un 25% y un 30% menos de combustible [ definición necesaria ] a bajas altitudes, [2] donde la mayoría de las misiones tienen la mayor necesidad de empuje . Los motores Aerospike se han estudiado durante varios años y son los motores de referencia para muchos diseños de una sola etapa 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 aeropikes a gran escala se encuentran en fases de prueba. [3]
La terminología en la literatura relacionada con este tema es algo confusa: el término aerospike se usó originalmente para una boquilla de tapón truncado con un cono cónico muy áspero y algo de inyección de gas, formando un "pico de aire" para ayudar a compensar la ausencia del tapón. cola. Sin embargo, con frecuencia, una boquilla de tapón de longitud completa ahora se llama aerospike.
Principios [ editar ]
El propósito de cualquier campana de motor es dirigir el escape de un motor 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 ambiente también imparte una pequeña presión contra el escape, lo que ayuda a mantenerlo moviéndose en la dirección "correcta" cuando sale del motor. A medida que el vehículo asciende por la atmósfera, se reduce la presión del aire ambiente.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 la dirección "incorrecta" (es decir, hacia afuera desde la columna de escape principal), la eficiencia del motor se reduce a medida que el cohete viaja porque este escape que escapa ya no contribuye al empuje del motor. Un motor de cohete aerospike busca eliminar esta pérdida de eficiencia.[1]
En lugar de disparar el escape por un pequeño orificio en el medio de una campana, un motor aerospike evita esta distribución aleatoria disparando a lo largo del borde exterior de una protuberancia en forma de cuña, la "espiga", que cumple la misma función que un tradicional campana del motor. La espiga forma un lado de una campana "virtual", y el otro lado está formado por el aire exterior. [1]
La idea detrás del diseño de aerospike es que a baja altitud la presión ambiental comprime el escape contra el pico. La recirculación de los gases de escape en la zona base del pico puede elevar la presión en esa zona hasta casi la temperatura ambiente. Dado que la presión frente al vehículo es ambiental, esto significa que el escape en la base del pico casi se equilibra con el arrastre experimentado por el vehículo. No da un empuje general, pero esta parte de la boquilla tampoco pierde empuje formando un vacío parcial. El empuje en la parte base de la boquilla se puede ignorar a baja altura. [1]
A medida que el vehículo asciende a mayores altitudes, la presión del aire que mantiene el escape contra el pico disminuye, al igual que la resistencia al frente del 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, dando así un empuje adicional a medida que aumenta la altitud. Esto se comporta efectivamente como un "compensador de altitud" en el sentido de que el tamaño de la campana se compensa automáticamente cuando cae la presión del aire. [1]
Las desventajas de los aeropicos parecen ser un peso adicional para el pico. Además, el área enfriada más grande puede reducir el rendimiento por debajo de los niveles teóricos al reducir la presión contra la boquilla. Los aeropikes funcionan relativamente mal entre Mach 1-3, donde el flujo de aire alrededor del vehículo ha reducido la presión, reduciendo así el empuje. [4]
Variaciones [ editar ]
Existen varias versiones del diseño, diferenciadas por sus formas. En el aerospike toroidal, el pico tiene forma de cuenco con el escape saliendo en un 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 base en un proyectil de artillería), se puede lograr algo similar.
En el aerospike lineal, el pico consiste en una placa cónica en forma de cuña, con el escape saliendo a ambos lados en el extremo "grueso". 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 individual del acelerador del motor.
Rendimiento [ editar ]
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 cámara de combustión toroidal). Treinta años más tarde, su trabajo fue restablecido para su uso en la NASA 's X-33 proyecto. 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 pudieran completarse las pruebas para la configuración de dos motores. El XRS-2200 produce 204,420 lbf (909,300 N) de empuje con un I sp de 339 segundos al nivel del mar, y 266,230 lbf (1,184,300 N) de empuje con un I sp de 436.5 segundos en el vacío.
El RS-2200 Linear Aerospike Engine [5] se derivó del XRS-2200. El RS-2200 debía alimentar el vehículo VentureStar de una sola etapa a órbita . En el último diseño, siete RS-2200 que producen 542.000 libras de fuerza (2.410 kN) cada uno impulsarían al VentureStar a una 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 disminuyó la disponibilidad de fondos, pero los motores aerospike siguen siendo un área de investigación activa. Por ejemplo, se logró un hito cuando un equipo conjunto académico / industrial de la Universidad Estatal de California, Long Beach (CSULB) y Garvey Spacecraft Corporation llevaron a cabo con éxito una prueba de vuelo de un motor aerospike propulsado por propulsor líquido en el desierto de Mojave el 20 de septiembre de 2003 Los estudiantes de CSULB habían desarrollado su cohete Prospector 2 (P-2) usando un motor de aerospike LOX / etanol de 1,000 lb f (4.4 kN). Continúa este trabajo en motores aerospike; El prospector-10, un motor aerospike de diez cámaras, se puso a prueba el 25 de junio de 2008. [6]
En marzo de 2004 se produjeron más avances cuando 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 boquillas 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 eran propulsados por combustible sólido y estaban equipados con boquillas aerospike toroidales no truncadas. Volados en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del Condado de Pecos, Fort Stockton, Texas, los cohetes alcanzaron un apogeo de 26.000 pies (7.900 m) y velocidades de aproximadamente 1,5 Mach .
Los miembros de la Sociedad de Investigación de Reacciones han estado desarrollando motores de aerospike a pequeña escala utilizando una configuración propulsora de cohetes híbridos .
En 2020, TU Dresden y Fraunhofer IWS comenzaron su proyecto CFDμSAT para la investigación de motores aerospike fabricados aditivamente. 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. [7]
Implementaciones [ editar ]
Firefly Aerospace [ editar ]
En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció su lanzador Alpha planeado que utiliza un motor aerospike para su primera etapa. Destinado al mercado de lanzamiento de satélites pequeños, está diseñado para lanzar satélites en órbita terrestre baja (LEO) a un precio de 8 a 9 millones de dólares EE.UU., mucho más bajo que con los lanzadores convencionales. [8]
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 boquilla en forma de campana que se ha cortado por la mitad y luego se ha estirado para formar un anillo con la media boquilla que ahora forma el perfil de un tapón. [8]
Este diseño de cohete nunca se lanzó. El diseño fue abandonado después de que Firefly Space Systems quebró. Una nueva empresa, Firefly Aerospace , ha reemplazado el motor de aerospike por un motor convencional en el diseño Alpha 2.0.
Espacio ARCA [ editar ]
En marzo de 2017, ARCA Space Corporation anunció su intención de construir un cohete de una sola etapa a órbita (SSTO), llamado Haas 2CA, utilizando un motor aerospike lineal. El cohete está diseñado para enviar hasta 100 kg a la órbita terrestre baja, a un precio de 1 millón de dólares por lanzamiento. [9] Más tarde anunciaron que su motor Executor Aerospike produciría 50,500 libras-fuerza (225 kN) de empuje al nivel del mar y 73,800 libras-fuerza (328 kN) de empuje en el vacío. [10]
En junio de 2017, ARCA anunció que volarían su cohete Demonstrator3 al espacio, también usando 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. [9] En septiembre de 2017, ARCA anunció que, después de retrasarse, su motor lineal aerospike estaba listo para realizar pruebas en tierra y pruebas de vuelo en un cohete Demonstrator3. [9]
El 20 de diciembre de 2019, ARCA probó el motor de cohete de vapor aerospike LAS 25DA para el sistema de asistencia de lanzamiento. [11]
Espacio KSF y espacio interestelar [ editar ]
Otro modelo de concepto de motor de picos, 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. [12]
Rocketstar [ editar ]
Rocketstar planeaba lanzar su cohete aerospike impreso en 3D a una altitud de 50 millas en febrero de 2019 [13].
Ver también [ editar ]
- Boquilla de expansión
- LASRE - Experimento Linear Aerospike SR-71 1997/8 NASA para X-33
- Cohete rotatorio - Empresa
- Sabre - Synergetic Air Breathing Rocket Engine - un estatorreactor híbrido y un motor de cohete
Referencias [ editar ]
- ^ a b c d e "NASA - Hoja de datos del motor lineal Aerospike (08/00)" . www.nasa.gov . Consultado el 21 de enero de 2020 .
- ^ Defusca, Albert; Craddock, Christopher (1 de noviembre de 2017). "Acceso asequible a la órbita terrestre baja" . Revistas DSIAC . 4 (4) . Consultado el 16 de junio de 2019 .
- ^ "Página de inicio del motor Aerospike" . www.hq.nasa.gov .
- ^ "Pwrengineering.com" . ww17.pwrengineering.com . Archivado desde el original el 2 de abril de 2010.
- ^ "RS-2200" . Astronautix.com . Consultado el 4 de febrero de 2018 .
- ^ "Noticias y eventos de CSULB CALVEIN Rocket" . Archivado desde el original el 15 de junio de 2008.
- ^ "Página de inicio de TU-Dresden" . tu-dresden.de . Consultado el 23 de abril de 2021 .
- ^ a b "Firefly Space Systems presenta el diseño del vehículo de lanzamiento Alpha con motor aerospike" . Gizmag.com. 14 de julio de 2014 . Consultado el 14 de julio de 2014 .
- ^ a b c "Noticias de ARCA" . Espacio ARCA . Espacio ARCA . Consultado el 30 de mayo de 2018 .
- ^ "Especificaciones de Haas 2CA" . Espacio ARCA . Espacio ARCA . Consultado el 30 de mayo de 2018 .
- ^ "Vuelo del Aerospike: Episodio 34 - Motor LAS 25DA Aerospike" . Youtube . Espacio ARCA . Consultado el 5 de agosto de 2020 .
- ^ "Cohete de vehículo espacial SATORI" . Espacio KSF .
- ^ Wang, Brian (24 de enero de 2019). "Rocketstar lanzará un cohete con motor Aerospike impreso en 3D en febrero" . NextBigFuture.com . Consultado el 25 de enero de 2019 .
Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los motores de cohetes Aerospike . |
- Motor Aerospike
- Motores avanzados planeados para impulsores mejorados de Saturn y Nova - incluye el J-2T
- Motor lineal Aerospike: propulsión para el vehículo X-33
- Centro de investigación de vuelo Dryden
- Características y rendimiento del sistema de control del motor Aerospike
- Control de actitud X-33 utilizando el motor lineal Aerospike XRS-2200
- Bui, Trong; Murray, James; Rogers, Charles; Bartel, Scott; Cesaroni, Anthony; Dennett, Mike (2005). "Investigación de vuelo de una boquilla Aerospike utilizando cohetes sólidos de alta potencia". 41a Conferencia y Exhibición Conjunta de Propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE . doi : 10.2514 / 6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5.
https://www.youtube.com/watch?v=D4SaofKCYwo
