El diseño de boquillas ha sido durante mucho tiempo un factor crítico en la eficiencia de propulsión, determinando la eficacia de un motor de cohetes que convierte la energía térmica de la combustión en energía cinética dirigida. Las boquillas tradicionales en forma de campana están optimizadas para una sola altitud; ofrecen un rendimiento máximo a nivel del mar o en vacío, pero sufren pérdidas significativas al operar lejos de su punto de diseño.

¿Qué es una boquilla de Aerospike?

Una boquilla de aerospike es un tipo de boquilla de cohete que utiliza un pico cónico central (o "plug") para formar el límite interno del flujo de escape en expansión, en lugar de una pared de buceo sólido como una boquilla convencional. El límite exterior del escape de la tubería es libre de expandirse contra la atmósfera circundante. Esta geometría de auto-adaptación permite que la boquilla ajuste efectivamente su relación de expansión al nivel de vacío manteniendo el cohete.

El sistema de control de la base de los dos tipos de cohetes, que generan un sistema de sub-difusión de los mismos tipos de la NASA. El sistema de control de la base de los sistemas de la NASA, que genera un sistema de control de la base de los sistemas de control de los sistemas de los sistemas de los sistemas de la energía, y que se utiliza en el sistema de los sistemas de control de los sistemas de los sistemas de transmisión de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de transmisión de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de transmisión de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los programas de los sistemas de los programas de los sistemas de los programas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los programas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los sistemas de los

¿Cómo funciona?

Para entender la magia del aerospike, primero debe comprender el concepto de relación de expansión de la boquilla]—la relación de área de salida a área de garganta. Una boquilla de campana diseñada para el funcionamiento del nivel del mar tiene un pequeño área de salida para prevenir la sobreexpansión, que puede causar separación de flujo y pérdida de empuje.

El aerospike se desplaza por este cambio eliminando la sección divergente física. En cambio, el gas de escape en expansión “ve” una sección virtual divergente formada por el punto central y el aire ambiente. A bajas altitudes, la presión atmosférica alta presiona la ciruela radialmente hacia adentro, reduciendo su relación de expansión efectiva. A medida que el cohete sube y la presión ambiente baja, la tubería naturalmente se expande, aumentando el área efectiva.

Este comportamiento adaptable se compara con la forma en que un tren de choque] se ajusta dentro de un difusor supersónico. El flujo de escape en la base del pico es supersónico; el aire circundante actúa como una pared deformable. A nivel del mar, la presión ambiente es lo suficientemente alta que la tubería se conecta a la superficie de pico y salidas de un área de flujo relativamente pequeña.

Otro matiz importante es la reducción de la pena de arrastre base. En una boquilla de campana, la gran base del motor contribuye a la arrastre aerodinámica, especialmente durante el vuelo transónico. Un diseño de aerospike anular hace que la base del motor sea muy pequeña — esencialmente el diámetro de la punta del pico— reduciendo sustancialmente la resistencia base. Esta ventaja puede mejorar el rendimiento general del vehículo en varios por ciento.

Ventajas de las boquillas de Aerospike

Indemnización de Altitud

El beneficio más significativo es la capacidad de mantener alta eficiencia desde el nivel del mar al espacio. Mientras que una boquilla de campana pierde hasta 15–20% en impulso específico cuando se opera lejos de su altura de diseño, un aerospike normalmente pierde menos del 5%. Esto significa que un vehículo que utiliza motores de aerospike puede alcanzar la misma carga útil con una fracción de masa sustancialmente menos propelente, o alternativamente, puede llevar una carga útil más pesada para la misma carga de combustible.

Mejora de la impulsión específica

Un aerospike bien diseñado puede lograr un impulso específico vacío comparable a una boquilla de campana de gran superficie y proporciona un rendimiento mucho mayor en el nivel del mar. Por ejemplo, el aerospike lineal probado en el programa X-33 demostró un nivel de mar Isp de los primeros segundos de aumento del mar

Reducción de peso

Debido a que el aerospike elimina la larga y pesada sección de una boquilla de campana, todo el montaje del motor puede ser más ligero. En un gran impulsor, la boquilla puede representar una parte significativa de la masa del motor. Reemplazando que con un pico relativamente pequeño y una cámara de combustión más corta ahorra kilogramos que se traducen directamente en una masa de carga mayor o cargas estructurales reducidas.

Longitud del vehículo reducida

Las boquillas de campana se extienden hacia atrás desde el motor, aumentando la longitud general del vehículo de lanzamiento. Una boquilla de aerospike, especialmente en una configuración anular, puede ser recesada en la base del vehículo, haciendo que el cohete sea más corto y estructuralmente más rígido. Los vehículos más cortos son más fáciles de transportar, requieren menos infraestructura de lanzamiento, y experiencia menos momentos de flexión durante el vuelo.

Costo potencial y ahorros de fabricación

Aunque los motores aerospike son históricamente más complejos para la fabricación debido a canales de refrigeración intrincados y requisitos de sellado, los avances en la fabricación aditiva y prensa isostatica caliente están reduciendo esos costos. La distribución de motores más simples —potencialmente con menos componentes de turbomaquinaria si se integra en un ciclo de combustión de corriente completa— podría reducir los costos de producción.

Desafíos y obstáculos técnicos

Gestión térmica

El pico central del aerospike y, en el diseño lineal, las superficies de la rampa deben soportar enormes flujos de calor del flujo de reacción supersónico. En la punta del pico, la temperatura de estancamiento puede superar los 3000 °C, que requieren técnicas de enfriamiento avanzadas. Enfriamiento regenerativo, donde el propulsor se distribuye a través de canales en el pico antes de la inyección, es el enfoque estándar, pero la fabricación de estos canales de corto tamaño

Estabilidad de la combustión

Las cámaras de combustión toroidal o lineal que alimentan el aerospike tienen acústica inusual en comparación con las cámaras cilíndricas de un motor convencional. Las oscilaciones de combustión pueden ser difíciles de amortiguar, especialmente cuando múltiples cámaras empujan el escape a un camino de flujo común. Las experiencias pasadas en el aerospike lineal de X-33 (el XRS-2200) revelaron un acoplamiento complejo entre las cófas que requiere de afinación de cuidado y la flexión.

Manufacturing Complexity

Producir un gran pico anular con tolerancias estrechas y pasajes de refrigeración intrincados es caro. El aerospike lineal es algo más simple porque consiste esencialmente en dos rampas planas, pero esas rampas deben ser extremadamente largas para lograr la expansión deseada, y el sellado entre la rampa y los laterales se convierte en un reto.Intensiones históricas - como los dos motores de aerospike lineal construidos para el programado X-33-

Base de cargas de flujo y laterales

En ciertas alturas transitorias, la ciruela puede oscilar entre el flujo adjunto y desprendido sobre el pico, generando fuerzas laterales que pueden enfatizar la estructura del motor gimbal o del vehículo. Las cargas laterales son un problema bien conocido en boquillas de campana cerca de la puesta en marcha del nivel del mar, pero el campo de flujo más complejo del aerospike puede producir cargas transitorias inesperadas.

Ineficiencia en Altitud Muy Alta

Mientras que el aerospike compensa la mayor parte de la trayectoria, a altitudes extremas (ambos ~100 km) la expansión de la ciruela se vuelve esencialmente libre y el pico proporciona sólo una orientación limitada. La pared de la boquilla virtual desaparece, y el flujo se expande lateralmente, perdiendo algún control direccional. Sin embargo, en ese momento el vehículo ya está viajando a alta velocidad, y las pérdidas son menores en comparación con las ganancias inferiores en la atmósfera.

Desarrollo histórico

El concepto de boquillas compensadoras de altitud se remonta a los años 50, pero el aerospike recibió su primer financiamiento serio durante los años 60 como parte de los esfuerzos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para construir un vehículo de una sola etapa a órbita (SSTO).En los años 70, Rocketdyne realizó pruebas de tierra extensas en un motor toroidal de media escala

El más famoso ensayo de vuelo de aerospike fue el programa NASA X-33 / VentureStar. Lockheed Martin, con Rocketdyne como contratista de motores, construyó el vehículo de prueba de nivel X-33 de escala 1:2 con un motor de carga de hidrógeno XRS-2200 motores de aerospike lineal

En Europa, ESA y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR)] han estudiado motores de aerospike más pequeños para aplicaciones de altura, y en Japón, el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) probó un pequeño aerospike anular en 2003 sobre una viabilidad de sonido de vuelo 25.

Investigación actual y perspectivas futuras

Desarrollos de la industria privada

[FLT]: Un motor de aerospike [FLT] [FLT] [FLT] [FLT] [FLT]] [Flujo]]: se ha desarrollado en el campo de la velocidad de la máquina de aerospike [FLT] [FLT2] [FLT] [FLT]

En China y la India se están probando motores aerospike a escala de laboratorio, con el ISRO que explora una boquilla de aerospike para un demostrador de vehículos de lanzamiento reutilizable. La fabricación aditiva (3D imprimida) permite una rápida iteración de geometrías de espigas, permitiendo pruebas exhaustivas de diseños y características de flujo a bajo costo.

Aplicaciones en sistemas de lanzamiento reutilizables

Las boquillas Aerospike son particularmente atractivas para los cohetes reutilizables, donde el motor debe operar a través de una amplia gama de altura en cada vuelo. Una primera etapa totalmente reutilizable que regresa a la Tierra mediante aterrizaje propulsivo se beneficiaría de la compensación de altitud tanto durante el ascenso como el descenso. Algunos conceptos para la próxima generación de cohetes elevadores pesados y totalmente reutilizables (por ejemplo, SpaceX Starship utiliza actualmente una boquilla convencional, pero conceptos anteriores podrían considerar un rendimiento

Potencial para una etapa-a-orbit

El santo grial de propulsión de cohetes —un vehículo que puede llegar a órbita sin estadificación— exige un motor con un rendimiento excepcional a todas las alturas. El aerospike se cita a menudo como el único concepto existente de boquilla que puede ofrecer el perfil de impulso específico requerido para una TCTO. Mientras que la TC sigue siendo extremadamente difícil debido a las fracciones de masa estructural, un aerospike bien diseñado combinado con estructuras compuestas avanzadas podría un día hacer que sea factible.

Integración con ciclos avanzados de propulsión

Los futuros motores de aerospike pueden combinarse con ciclos de combustión escalonadas de flujo completo, que ejecutan tanto preburners ricos en combustible como oxidantes para conducir bombas de turbo separados.Este ciclo ya ofrece alta eficiencia y bajas temperaturas de turbina, y combinando con una boquilla de aerospike puede producir el motor químico más eficiente.

Comparación con otros conceptos de boquilla

Boquillas de doble campana

Una boquilla de doble timbre tiene dos contornos de expansión fijos: un contorno de baja altitud y un contorno de alta altitud, con una zona de inflexión suave que desencadena una separación de flujo axisymmetrica a una altitud predeterminada. Mientras más simple que un aerospike, el doble campana sacrifica cierta eficiencia en la región de transición y no puede tan continuamente.

Boquillas expandidas/dispuestas

Las boquillas mecánicamente extensibles utilizan una sección telescópica que se despliega a altitud para aumentar la relación de expansión. Estas agregan partes móviles, modos de masa y posibles fallas. El aerospike evita todas las partes móviles, lo que lo hace inherentemente más fiable, aunque la carga térmica en el pico es una preocupación de fiabilidad diferente.

Boquillas de enchufe

La boquilla de enchufe es otro concepto compensador de altitud donde el flujo se expande sobre un enchufe central de forma similar a un aerospike. De hecho, "aerospike" y "nozzle de enchufe" se utilizan a veces indistintamente. En definitiva, un aerospike utiliza un pico truncado que permite que la tubería fluya alrededor de la base, mientras que una boquilla de enchufable usa una longitud típicamente más larga.

Conclusión

La boquilla de aerospike representa uno de los pocos “fruto de bajo crecimiento” en propulsión de cohetes químicos, un principio físico bien entendido que aún no se ha explotado completamente en vehículos de lanzamiento operativos. Su capacidad para mantener un impulso específico alto en todo el sobre de vuelo, combinado con el potencial de ahorro de peso y arrastre, lo convierte en una opción convincente para los motores de cohetes de próxima generación.

Para los lectores interesados en detalles técnicos más profundos, los siguientes recursos proporcionan un excelente fondo: El papel de NASA en el rendimiento de aerospike lineal, AIAA sobre el rendimiento de aerospike anular, y ]A Aerospike Nozzle Study5] (2009)[FLT] (2009)[FLT.