Introducción al diseño y operación del motor Ramjet

El motor de ramjet es uno de los ejemplos más elegantes de la ingeniería de propulsión, dependiendo del principio de compresión de presión dinámica en lugar de compresores mecánicos. A diferencia de los motores de turbojet o turbofán, un chorro de ramjet no tiene piezas rotativas como las cuchillas de compresión o las turbinas.

Componentes clave de un motor Ramjet

Un ramjet consta de cuatro subsistemas primarios: la entrada (a menudo llamada difusor), la cámara de combustión, la boquilla y el sistema de entrega de combustible. Cada componente debe estar cuidadosamente diseñado para trabajar juntos en una gama de condiciones de vuelo supersónico.

La entrada (Diffuser)

El inlet es el componente aerodinámico más crítico en un chorro de ramjet. Su función es capturar aire supersónico de flujo libre y desacelerarlo subsónicamente, convirtiendo energía cinética en un aumento de presión. Este proceso, conocido como compresión de ram, es el motor de unión #8217; es el principal medio de aumentar la presión sin un compresor mecánico.

El rendimiento de la entrada es cuantificado por el coeficiente de recuperación de presión, que mide la presión de estanca libre después de la desaceleración. La recuperación de alta presión es esencial para una producción eficiente de combustión y empuje. A velocidades supersónicas bajas, un solo choque normal puede bastar, pero a mayor velocidad de descargas Mach (ambos aproximadamente Mach 3) múltiples choques oblicuas seguidos por un choque normal débil proporcionan una recuperación superior.

La Sala de Combustión

Una vez que el aire se comprime y desacelerada a velocidad subsónica, entra en la cámara de combustión donde se inyecta y quema combustible. El proceso de combustión debe ser estable, eficiente y sostenido a pesar del flujo de alta velocidad. A diferencia de las turbinas de gas, donde la combustión ocurre a presión casi constante debido al compresor y la turbina, la combustión de chorro se produce en una ligera presión

El combustible se inyecta a través de boquillas o inyectores de combustible que lo atomizan en gotas finas para la mezcla rápida con el aire entrante. Los combustibles comunes incluyen hidrocarburos basados en queroseno (JP-5, JP-10) para los chorros de baja velocidad, y el hidrógeno o el metano para los diseños de alta velocidad y experimentales.

La boquilla

Los productos de combustión calientes y de alta presión salen por una boquilla, que los acelera a velocidades supersónicas para generar empuje. Para un chorro de ramero, la boquilla es casi siempre del tipo convergente-divergente (C-D). En la sección convergente, el flujo subsónico se acelera a Mach 1 en la garganta; en la sección divergente se acelera a velocidades supersónicas.

El diseño de boquilla debe tener en cuenta la expansión de los gases de escape a la presión ambiente. La baja o sobre-expansión reduce el empuje y puede causar inestabilidades de flujo. La mayoría de las boquillas de chorro de ramjet se fijan porque el motor funciona sobre una gama limitada de alturas y velocidades, pero las boquillas variables se utilizan a veces en diseños más avanzados.

Sistema de combustible y entrega

El sistema de combustible debe entregar un flujo constante de combustible a la presión y temperatura correctas a los inyectadores. En un chorro de combustible típico, el combustible se almacena en tanques y presuriza mediante aire de carnero o una bomba separada. El sistema de control ajusta la velocidad de flujo de combustible basado en número de Mach, altitud y empuje deseado. Para misiles, el sistema de combustible es a menudo simple y no recuperable; para aeronaves experimentales, puede incluir un circuito de medición sofisticado y refrigeración de combustible de combustible de alta velocidad.

Cómo funciona un Ramjet

El chorro de aire funciona en el ciclo termodinámico de Brayton, pero con compresión alcanzada únicamente por la entrada y expansión únicamente por la nozzle angular#8212; no hay turbina de extracción de trabajo presente. Este ciclo consiste en tres procesos: compresión istrópica (o casi-isentropica) en la inlet, adición de calor de presión constante en el combustión, y falta istrópica de la velocidad de la boquilla

El Ciclo Brayton en Ramjets

En un ramjet ideal, el aire entra en la entrada a velocidad supersónica, se comprime a una presión estática alta y temperatura, luego entra en el combustor donde se quema el combustible, agregando calor a una presión constante aproximada. El gas resultante luego se expande a través de la boquilla para producir empuje. La propulsión neta es la diferencia entre el impulso del escape y el del aire entrante, además de cualquier fuerza de presión en la salida del combo de frijo.

Velocidad de inicio y operación

Como se ha observado, un ramjet no puede producir empuje a velocidad cero. Para comenzar, el motor debe ser acelerado a una velocidad donde la entrada puede ofrecer suficiente compresión. Las velocidades de inicio típicas van desde Mach 0.8 a Mach 2.5, dependiendo del diseño. Para los arranques subsónicos, un cohete de impulso, un turbojet o un avión de lanzamiento proporciona la velocidad inicial. Una vez que el ramjet esté operando, puede sostener el vuelo suministrado el número de combustible.

Boost Systems

Los métodos de impulso comunes incluyen motores de cohetes sólidos (por ejemplo, en muchos misiles de superficie a aire), ciclos combinados basados en turbinas (TBCC) para vehículos de cruceros que respiran aire, o el lanzamiento de aire de una nave madre como el B-52 utilizado para el X-15 (que utilizó un cohete, pero similar para los sistemas de ensayo de cohetes). Algunos diseños de ramjet incorporan un cohete integrado (por ejemplo, cohetes).

Consideraciones de diseño y Aerodinámicas

Diseñar un ramjet implica equilibrar varios factores aerodinámicos y termodinámicos competidores. La entrada debe capturar suficiente aire sin causar un arrastre excesivo; la cámara de combustión debe ser lo suficientemente larga para quemar completamente pero lo suficientemente corto como para evitar un peso excesivo; la boquilla debe coincidir con la presión ambiental sobre el sobre de vuelo previsto.

Tipos de entrada

  • Intérprete nominal: Usa un solo choque perpendicular para desacelerar el flujo. Sencillo pero sufre de una pérdida de presión total elevada a números Mach más altos. Adecuado para velocidades supersónicas bajas (Mach 1,5 a 2.5).
  • Intento de choque oblicuo: Usa una serie de choques angulosos (de un cuerpo central o rampas) seguidos de un shock normal débil. Recuperación de presión superior en Mach 2 a 4. Común en muchos misiles de chorro de carnero.
  • ]Introducción de compresión reducida: Combina los choques de compresión externa e interna para lograr una recuperación de alta presión a velocidades hipersónicas (Mach 5+). Requiere un control de capas de límites cuidadoso y es más complejo.

Estabilidad de la combustión y tenedores de la llama

La estabilización de una llama en un flujo de alta velocidad es difícil. Los soportes de la llama crean una zona de recirculación de baja velocidad donde los productos de combustión recirculan, iniciándose continuamente la mezcla de combustible entrante. Los diseños comunes incluyen máquinas V, estabilizadores de cuerpo-bloqueo y cavidades de pared. La elección depende de la gama necesaria de ratios de aire de combustible y la caída de presión permitido.

Patrones de inyección de combustible

Los inyectadores pueden ser organizados como inyecciones de pared, inyecciones de strut o inyectadores aerodinámicos. El objetivo es mezclar rápidamente el combustible con el aire comprimido caliente. Para combustibles líquidos, tamaño de goteo y distribución son críticos. Para combustibles gaseosos, el diseño de inyector se centra en la penetración y mezcla molecular.

Configuraciones de boquilla

Las boquillas convergente-divergente son estándar para el escape supersónico. El área de garganta es tamaño para ahogar el flujo (Mach 1) y la relación de expansión establece el número de salida Mach. A bajas altitudes, la presión ambiente es alta, por lo que la boquilla puede subexpandir; a altas altitudes, sobreexpandaciones a menos que se utilice una geometría variable.

Ventajas y limitaciones

Ramjets ofrece varios beneficios clave para la propulsión de alta velocidad:

  • Simbolidad: Ninguna parte móvil en el motor central conduce a una alta fiabilidad, bajo mantenimiento y relativamente bajo costo.
  • Alto Impulso Específico: En velocidades supersónicas, la eficiencia del ciclo termodinámico es más alta que la de los motores de cohetes, dando mejor economía de combustible.
  • Densidad de alto alcance: La senda de flujo simple permite un flujo de masa elevado y un diseño compacto, adecuado para aplicaciones limitadas por volumen como misiles.

Sin embargo, también tienen limitaciones significativas:

  • Zero Static Thrust: Requiere un sistema de impulso separado, agregando complejidad y peso.
  • Rango de operación estrecha: La entrada y la boquilla se optimizan generalmente para un número y altitud de Mach específico; degrada el rendimiento fuera del diseño.
  • Altas temperaturas internas: El vuelo hipersónico sostenido produce cargas térmicas extremas, que requieren materiales exóticos o refrigeración activa.
  • Bajo Impulso Específico en Baja Velocidad: Debajo del punto de diseño, el ramjet produce menos empuje por flujo de combustible que un turbojet.

Aplicaciones de los motores Ramjet

Los Ramjets se utilizan principalmente en plataformas militares y experimentales de alta velocidad, con unas pocas aplicaciones civiles nicho.

Misiles supersónicos

La aplicación más extendida es en misiles anti-viaje supersónicos y de superficie a aire. Ejemplos incluyen el Boeing AGM-158C LRASM (que utiliza un turbojet, pero existen muchos misiles de lanzacohetes), el se extiende

Aviones y testículos de alta velocidad

Aviones experimentales como el Lockheed D-21] dron de reconocimiento utilizó un ramjet (el Marquardt RJ43) para el vuelo Mach 3+. Más recientemente, el El lanzamiento de vehículos X-51 Waverider usó un scramjet (una variante de comjet sostenido con el hiper.

Ciclos combinados para la lanzamiento del espacio

Los Ramjets también se consideran parte de sistemas de propulsión de ciclo combinado para vehículos de lanzamiento reutilizables. Por ejemplo, el concepto Motor de cohetes sinérgicos de aire (SABRE) utiliza un turbojet pre-enfriado para velocidades y transiciones más bajas a un chorro de ramjet/scramjet para la velocidad de cohetes dramáticamente antes de lanzamiento.

Comparación con otros motores de aire-espacial

Para entender dónde encajan los ramjets, comparelos con turbojets y scramjets:

  • Turbojet: Tiene un compresor y turbina; eficiente desde bajas velocidades hasta alrededor de Mach 3; puede comenzar de reposo. Más complejo y más pesado que un ramjet.
  • Scramjet: Una variante de ramjet donde la combustión ocurre en el flujo supersónico. Permite el vuelo sobre Mach 5-6 pero requiere un diseño extremadamente cuidadoso porque el tiempo de residencia para la combustión es muy corto. Incluso más simple que un ramjet (sin partes móviles), pero más difícil para lograr una combustión estable.
  • Ramjet:] Las mentiras entre turbojet y scramjet en rango de velocidad (Mac 2 a 5). La combustión subsónica dentro de la cámara hace que la llama tenga más fácil que en un scramjet, pero la entrada debe desacelerar el flujo a velocidades subsónicas, incurriendo mayores pérdidas en números Mach.

La elección del motor depende del perfil de vuelo previsto. Para un misil que debe acelerarse rápidamente a Mach 3 y luego sostener esa velocidad, un ramjet es ideal. Para un misil de crucero que necesita para arreciar a velocidades subsónicas, un turbofán o turbojet es mejor.

Futuros desarrollos e investigaciones

La investigación actual se centra en ampliar el rango de velocidad de los ramjets, mejorar su rendimiento fuera del diseño y reducir los costos.

  • Inlets y boquillas de geometría variable: Los ajustes mecánicos o fluidos permiten que un motor único funcione eficazmente desde Mach 2 hasta Mach 5+.
  • Materiales de alta temperatura:] Los compuestos de matriz de cerámica (CMC) y revestimientos ablativos se están desarrollando para soportar temperaturas de cámara de combustión superiores a 3000 K sin enfriamiento activo.
  • ] Sistemas de control digital: La optimización en tiempo real del flujo de combustible y la geometría de entrada mediante el control basado en modelos puede mejorar la estabilidad y la eficiencia.
  • Air-Turbo-Ramjets (ATR):] Motores híbridos que combinan un generador de gas con un chorro de ramjet para producir empuje estático al tiempo que conservan la eficiencia de los ramjet a alta velocidad.

El Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA)] y NASA continúan financiando a los manifestantes de tecnología hipersónica, muchos de los cuales dependen de los principios de lanzamiento o scramjet. Por ejemplo, el programa Hypersonic Air-breathing Weapon

Conclusión

El motor de ramjet sigue siendo una piedra angular de la propulsión de alta velocidad, combinando la simplicidad mecánica con una notable eficiencia termodinámica a velocidades supersónicas e hipersónicas. Sus componentes claves son: cúpulas, cámaras de combustión, boquilla y sistema de combustible fascinante. Trabajar juntos para convertir la energía cinética del aire de alta velocidad directamente en el empuje.

Para más lectura, vea la página NSA Glenn Research Center sobre ramjets, el artículo Wikipedia sobre motores de ramjet , y SKYbrary#8217;s overview of ramjet propulsion7][FLT][FLT][FLT][FLT][