Comprender Ramjets

Los motores de chorro de aire que no tienen compresor móvil o turbina, dependiendo del movimiento hacia adelante del vehículo para comprimir el aire entrante. Este diseño los hace intrínsecamente simples y ligeros en comparación con los motores de turbojet o turbofán. A velocidades subsónicas los chorros son ineficaces porque no hay una presión dinámica suficiente para comprimir el hipert.

En un chorro de aire, el aire entra en la entrada y se ralentiza (compresa) por una serie de ondas de choque antes de entrar en la cámara de combustión. El combustible se inyecta y se quema, y el gas caliente resultante se expande a través de una boquilla para producir empuje. Debido a que el motor utiliza el oxígeno atmosférico como el oxidador, el vehículo no necesita llevar los tanques de oxidación pesados, una ventaja mayor sobre el motor de impulso.

El ciclo termodinámico de un chorro de ramjet es similar a un ciclo Brayton, pero sin un compresor. En lugar de ello, la desaceleración del aire de alta velocidad entrantes proporciona la compresión necesaria. Este proceso genera una calefacción significativa, y las estructuras de ramjet deben soportar temperaturas extremas, a menudo requieren materiales avanzados como cerámica, superallas de níquel, y sistemas de refrigeración activos.

Scramjets – La Variante de Combustión Supersónica

A velocidades superiores sobre Mach 5, la temperatura aumenta de comprimir el aire a velocidades subsónicas se vuelve tan severa que los límites materiales y los cines químicos hacen que la combustión convencional sea poco práctica. Una combustión supersónica, o scramjet, supera esto manteniendo el flujo de aire supersónico a través del motor. El aire entra a velocidades hipersónicas, es comprimido por el comjecttry

Los scramjets son considerados un habilitador clave para transporte de largo alcance hihábicos] y como la etapa de aire-respiración de un sistema de lanzamiento de dos etapas a órbita (TSTO). La red X-43A (NASA) y X-51 Waverider (US Air Force) han demostrado la tecnología de scramjet en vuelo probado, alcanzando pruebas térmicas.

Ventajas de Ramjets y Scramjets para la lanza espacial

  • Reducción de la masa: Al utilizar oxígeno atmosférico, el vehículo puede llevar una masa significativamente menos propelente. Para un vehículo de lanzamiento, el oxidador suele representar aproximadamente el 60-70% de la masa de propulsión. Eliminar que desde la fase de respiración del aire reduce el peso total bruto de de desmontaje (GLOW) y permite una fracción de carga útil más grande o un vehículo más pequeño.
  • ]Consejo específico más alto: Como se ha observado, los motores de respiración de aire ofrecen impulso específico muchas veces mayor que los de los cohetes. Esto significa que el vehículo puede generar más empuje por unidad de propulsión consumida, aumentando el impulso total disponible para la aceleración y la configuración de trayectoria.
  • ] Potencial de la reutilización: Las primeras etapas impulsadas por Ramjet podrían aterrizar horizontalmente como un avión, permitiendo un giro rápido y reducir el coste por lanzamiento. Conceptos como los Motores de Reacción Skylon han propuesto vehículos totalmente reutilizables de una sola etapa a la órbita (SSTO) utilizando un motor de aire híbrido pre-cooled, aunque tales caras técnicas.
  • Lower Ascent Loads: Los perfiles de ascenso de aire que respiran generalmente implican una escalada gradual a través de la atmósfera en lugar de un lanzamiento vertical de alta tensión. Esto reduce las fuerzas aerodinámicas pico y las cargas de calefacción, permitiendo diseños estructurales más ligeros y potencialmente reduciendo el desgaste en vehículos reutilizables.
  • [Flexible Operations: Los vehículos hipersónicos de aire pueden maniobrar durante el ascenso, ofreciendo flexibilidad de trayectoria para llegar a varias órbitas o abortar con seguridad. Esta es una ventaja significativa para el acceso militar al espacio y para las misiones que requieren ventanas de lanzamientos críticos con el tiempo.

Desafíos para superar

A pesar de su promesa, los sistemas de propulsión de ramjet y scramjet enfrentan varios retos fundamentales que deben abordarse antes de que puedan utilizarse de forma rutinaria para el lanzamiento espacial.

Gestión térmica

El flujo de aire de alta velocidad genera una intensa calefacción convectiva y radiativa. Las temperaturas de estadificación en Mach 8 pueden superar los 3000 K, lo que requiere un enfriamiento activo para las paredes del motor, los bordes de entrada y la garganta de la boquilla. Enfriamiento regenerativo, donde el combustible se distribuye a través de canales de refrigeración antes de la inyección, es el enfoque primario.

Integración con propulsión Rocket

Un motor de aire-respiración no puede funcionar fuera de la atmósfera. Cualquier vehículo de lanzamiento que utiliza ramjets debe pasar a un motor de cohetes para la aceleración final a la velocidad orbital. Esto requiere un motor de ciclo combinado, como un ciclo combinado de turbina (TBCC) o un ciclo combinado basado en cohetes (RBCC).

Rendimiento y Startability

Las entradas de Ramjet deben captar la cantidad correcta de aire y generar la relación de compresión deseada sobre una amplia gama de velocidades. A velocidades supersónicas bajas, la entrada puede comenzar mal, causando la arrastre o descomposición de derrames. El vehículo debe ser acelerado por otros medios (acelerador de cohetes, turbojet o catapulta) a un número Mach donde el ramjet puede tomar.

Estabilidad de la combustión y retención de la llama

En un scramjet, el tiempo de residencia de flujo en el combustión está en el orden de milisegundos. El combustible debe ser inyectado, mezclarse con la corriente de aire supersónico, y encender dentro de esa ventana. Los arves, los struts y los esquemas de inyección de pared han sido probados, pero mantener una combustión estable bajo condiciones de vuelo variables sigue siendo un foco de investigación.

Materiales y Fabricación

Las temperaturas extremas, combinadas con atmósferas oxidantes y altas presiones dinámicas, requieren materiales que mantienen fuerza y resisten a la oxidación. Los compuestos de matriz cerámico (CMC), cerámica ultra-alta temperatura (UHTCs), y metales refractarios son candidatos, pero son costosos y difíciles de fabricar en grandes formas complejas. Unirse a diferentes materiales para gestionar los desajustes de expansión térmica es otro problema importante de ingeniería.

Proyectos de investigación y demostración actuales

Varias naciones tienen programas activos para desarrollar una propulsión hipersónica de aire que respira tanto para aplicaciones militares como civiles, que generan datos críticos que podrían informar sobre futuros diseños de lanzamiento espacial.

DARPA Hypersonic Air-breathing Concept (HAWC)

El programa HAWC, dirigido por DARPA en colaboración con la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, ha probado misiles de crucero propulsados por scramjet capaces de volar sostenidamente en Mach 5+. En 2022, una prueba de Raytheon/Northrop Grumman logró un vuelo de 9 minutos a velocidades por encima de Mach 5, demostrando el rendimiento y la resistencia de scramjet.

Motores de reacción SABRE y Skylon

Motores de reacción de alta velocidad [SABRE], con tecnología de reacción de aire de bajo nivel de los años 80. SABRE utiliza un precooler que enfría el aire de entrada hipersónico de más de 1000°C a -150°C en milisegundos, permitiendo un compresor de turbo ligero para presurizar el aire antes de entrar en una cámara de combustión con éxito.

NASA X-43 y X-51 Legacy

El programa Hyper-X de la NASA voló el X-43A en 2004, logrando un vuelo propulsivo en Mach 6.8 y posteriormente Mach 9.6. El X-43A demostró la viabilidad de la propulsión scramjet y validó modelos computacionales. El X-51 Waverider, financiado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, extendió la resistencia a los scramjet con un vuelo propulsion de 200 segundos en 2013.

Actividades chinas y rusas

China ha probado el Starry Sky-2] de agitación y está desarrollando el vehículo de rígido hipersónico DF-ZF, que puede ser impulsado por una etapa de scramjet. Rusia Tsirkon (Zircon) hipersónico de misiles anti-viaje utiliza el lanzamiento de scramjet limitado.

Integración en sistemas de lanzamiento futuros

La aplicación más prometedora a corto plazo de la tecnología de ramjet y scramjet en el lanzamiento espacial es como parte de un sistema de dos etapas a órbita (TSTO). En un concepto típico de TSTO, la primera etapa es un avión hipersónico que respira aire que lleva una segunda etapa a alta altura y Mach 5+. La primera etapa entonces vuelve a la base para reutilizar, mientras que la segunda etapa acelera la órbita de pago

Tal sistema podría reducir los costos de lanzamiento por un factor de 2 a 5 en comparación con los cohetes fungibles, dependiendo del grado de reutilización. Por ejemplo, el enfoque de los aviones de portadores utiliza un gran avión accionado por turbofán, pero una primera etapa accionada por ramjet podría ir mucho más rápido y más alto, mejorando el rendimiento.

Otro camino de integración es el uso de ramjets como impulsores para la primera etapa de un cohete. El ramjet proporcionaría un empuje aumentado durante el ascenso inicial, permitiendo que los motores de cohetes sean más pequeños o la carga útil para ser más grande. Sin embargo, la masa adicional del sistema de ramjet y la necesidad de llevar su propio combustible (ya que utiliza aire atmosférico) deben ser expulsados contra los beneficios.

La carretera de frente

La vía para la puesta en marcha de sistemas de lanzamiento de espacio basados en ramjet requiere una inversión continua en materiales, ciencias de la combustión y pruebas de vuelo.

  • Pruebas de vuelo de motores TBCC o RBCC en vehículos subescala, transfiriendo desde el aire-respiración al modo de cohete en vuelo.
  • Demostración de crucero hipersónico reutilizable durante 10 minutos más, demostrando durabilidad del motor y gestión térmica.
  • Modelos de rendimiento validados] para el diseño integrado de vehículos, permitiendo predicciones seguras de trayectoria y peso.
  • Costo reducido de materiales de alta temperatura a través de fabricación aditiva y nuevos compuestos.

Si estos desafíos se superan, los ramjets podrían permitir una nueva generación de vehículos de lanzamiento que operan más como aviones que cohetes, con costos de rotación rápida y bajos operativos. Estos vehículos no sustituirían completamente los cohetes elevadores —algunos cargas son demasiado grandes para las etapas de respiración aérea— pero podrían llenar un nicho crucial en el lanzamiento de clase media y el transporte hipersónico de punto a punto.

Ramjets y scramjets ofrecen un camino convincente para sistemas de lanzamiento espacial más eficientes y reutilizables. Al aprovechar el oxígeno atmosférico durante la fase temprana del vuelo, reducen la masa propelente, aumentan la fracción de carga y permiten el despegue y aterrizaje horizontal. Mientras que muchos obstáculos tecnológicos permanecen, la investigación continua en la NASA, DARPA, los motores de reacción y otras organizaciones está avanzando de manera inequívocable la flexibilidad de la hipermejo