Motor Aerospike

El motor aerospike es un tipo de motor de cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica en un amplio rango de altitudes . ^[1] Pertenece a la clase de motores de tobera compensadores de altitud . ^[2] Los motores aerospike se propusieron para muchos diseños de una sola etapa a órbita (SSTO). Fueron un candidato para el motor principal del transbordador espacial . Sin embargo, a partir de 2023, ningún motor de este tipo estaba en producción comercial, aunque algunos aerospikes a gran escala estaban en fases de prueba. ^[3]

El término aerospike se utilizó originalmente para designar una boquilla de tapón truncada con una forma cónica rugosa y algo de inyección de gas, formando una "punta de aire" para ayudar a compensar la ausencia de la cola del tapón. Sin embargo, una boquilla de tapón de longitud completa también puede denominarse aerospike.

El propósito de cualquier campana de motor es dirigir el escape de un motor de cohete en una dirección, generando empuje en la dirección opuesta. El escape, una mezcla de gases a alta temperatura, tiene una distribución de momento efectivamente aleatoria (es decir, el escape empuja en cualquier dirección que puede). Si se permite que el escape escape en 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 que se mueve 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 en movimiento en la dirección "correcta" cuando sale del motor. A medida que el vehículo viaja hacia arriba a través de la atmósfera, la presión del aire ambiente se reduce. Esto hace que el escape que genera 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 de 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 expulsar el humo por un pequeño orificio en el centro de una campana, un motor aerospike evita esta distribución aleatoria al disparar a lo largo del borde exterior de una protuberancia en forma de cuña, la "espiga", que cumple la misma función que una campana de motor tradicional. La espiga forma un lado de una campana "virtual", mientras que el otro lado está formado por el aire exterior. ^[1]

La idea detrás del diseño del aerospike es que a baja altitud la presión ambiental comprime el escape contra el pico. La recirculación del escape en la zona de base del pico puede elevar la presión en esa zona hasta casi la ambiental. Dado que la presión en la parte delantera del vehículo es la ambiental, esto significa que el escape en la base del pico casi se equilibra con la resistencia que experimenta el vehículo. No proporciona empuje general, pero esta parte de la boquilla tampoco pierde empuje al formar un vacío parcial. El empuje en la parte de la base de la boquilla se puede ignorar a baja altitud. ^[1]

A medida que el vehículo asciende a mayores altitudes, la presión del aire que mantiene el escape contra la punta disminuye, al igual que la resistencia en la parte delantera del vehículo. La zona de recirculación en la base de la punta mantiene la presión en esa zona a una fracción de 1 bar , más alta que el vacío cercano en la parte delantera del vehículo, lo que proporciona 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 compensa automáticamente a medida que disminuye la presión del aire. ^[1]

Las desventajas de los aerospikes parecen ser el peso adicional que suponen. Además, la mayor superficie refrigerada puede reducir el rendimiento por debajo de los niveles teóricos al reducir la presión contra la boquilla. Los aerospikes funcionan relativamente mal entre Mach 1 y 3, cuando el flujo de aire alrededor del vehículo ha reducido la presión, lo que reduce el empuje. ^[4]

Existen varias versiones del diseño, que se diferencian por sus formas. En el aerospike toroidal, el pico tiene forma de cuenco y el escape sale en un anillo alrededor del borde exterior. En teoría, esto requiere un pico infinitamente largo para lograr la mejor eficiencia, pero al expulsar una pequeña cantidad de gas por el 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 spike consiste en una placa cónica en forma de cuña, con escape que sale por ambos lados en el extremo "grueso". Este diseño tiene la ventaja de ser apilable, lo que permite colocar varios motores más pequeños en fila para formar un motor más grande, al mismo tiempo que se aumenta el rendimiento de la dirección con el uso del control del acelerador de cada motor.

En la década de 1960, Rocketdyne realizó una larga serie de pruebas 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 basaban; 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 después, su trabajo fue revivido para su uso en el proyecto X-33 de la NASA . 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 fue cancelado cuando los tanques de combustible compuestos del X-33 fallaron repetidamente.

Durante el programa X-33 se construyeron tres motores XRS-2200 que se sometieron a pruebas en el Centro Espacial Stennis de la NASA . Las pruebas con un solo motor fueron un éxito, pero el programa se detuvo antes de que se pudieran completar las pruebas para la configuración con dos motores. El XRS-2200 produce un empuje de 204.420 lbf (909.300 N) con una I _sp de 339 segundos al nivel del mar y un empuje de 266.230 lbf (1.184.300 N) con una I _sp de 436,5 segundos en el vacío.

El motor RS-2200 Linear Aerospike ^[5] se derivó del XRS-2200. El RS-2200 debía impulsar el vehículo de una sola etapa a órbita VentureStar . En el último diseño, siete RS-2200 que producían 542.000 libras-fuerza (2.410 kN) cada uno impulsarían al VentureStar a la órbita baja terrestre. 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 redujo 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 combustible líquido en el desierto de Mojave el 20 de septiembre de 2003. Los estudiantes de la CSULB habían desarrollado su cohete Prospector 2 (P-2) utilizando un motor aerospike de LOX/etanol de 1000 lb _f (4,4 kN). Este trabajo sobre los motores aerospike continúa; Prospector-10, un motor aerospike de diez cámaras, se probó el 25 de junio de 2008. ^[6]

En marzo de 2004 se produjeron nuevos avances, cuando se realizaron 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 toberas 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 estaban propulsados ​​por combustible sólido y equipados con toberas aerospike toroidales no truncadas. Volando en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del Condado de Pecos, Fort Stockton, Texas, los cohetes alcanzaron apogeos de 26.000 pies (7.900 m) y velocidades de aproximadamente Mach 1,5.

Los miembros de la Reaction Research Society han estado desarrollando un motor aerospike a pequeña escala utilizando una configuración de propulsor de cohete híbrido .

En 2020, la TU Dresden y el Fraunhofer IWS iniciaron su proyecto CFDμSAT para la investigación de motores aeroespaciales fabricados de forma aditiva. Ya se ha probado un prototipo en una celda de prueba en el Instituto de Ingeniería Aeroespacial de la TU Dresden, logrando un tiempo de combustión de 30 segundos. ^[7]

En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció su proyecto de lanzamiento Alpha, que utiliza un motor aerospike para su primera etapa. Destinado al mercado de lanzamiento de satélites pequeños, está diseñado para lanzar satélites a la órbita baja terrestre (LEO) a un precio de entre 8 y 9 millones de dólares, mucho más bajo que el de los lanzadores convencionales. ^[8]

El 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 de tipo bujía aerospike genera 90.000 libras-fuerza (400 kN) de empuje. El motor tiene una tobera en forma de campana que ha sido cortada por la mitad y luego estirada para formar un anillo, con la mitad de la tobera formando ahora el perfil de una bujía. ^[8]

Este diseño de cohete nunca se lanzó. El diseño fue abandonado después de que Firefly Space Systems se declarara en quiebra. Una nueva empresa, Firefly Aerospace , ha reemplazado el motor aerospike por un motor convencional en el diseño Alpha 2.0. Sin embargo, la empresa ha propuesto Firefly Gamma, un avión espacial parcialmente reutilizable con motores aerospike.

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 baja de la Tierra, 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 a nivel del mar y 73.800 libras-fuerza (328 kN) de empuje en el vacío. ^[10]

En junio de 2017, ARCA anunció que lanzaría su cohete Demonstrator3 al espacio, también utilizando un motor aerospike lineal. Este cohete fue diseñado para probar varios componentes de su Haas 2CA a un menor costo. Anunciaron un vuelo para agosto de 2017. ^[9] En septiembre de 2017, ARCA anunció que, después de sufrir un retraso, su motor aerospike lineal 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]

Otro modelo conceptual de motor de punta, diseñado por 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 tenía previsto lanzar su cohete aerospike impreso en 3D a una altitud de 80 kilómetros en febrero de 2019, pero canceló la misión tres días antes del despegue alegando problemas de seguridad. Están trabajando en un segundo intento de lanzamiento. ^[13]

En noviembre de 2021, Pangea Aerospace, con sede en España, comenzó las pruebas de fuego en caliente de su motor aerospike de metano-oxígeno de demostración a pequeña escala DemoP1. ^{[14] [15]}

Después de probar con éxito el demostrador DemoP1, Pangea planea ampliarlo al motor ARCOS de 300 kN. ^[16]

Stoke Space, con sede en Kent, Washington, está construyendo y probando un sistema aerospike LH2/LOX de arquitectura distribuida para su segunda etapa reutilizable. ^[17]

La empresa emergente alemana POLARIS Raumflugzeuge GmbH, con sede en Bremen, recibió un contrato de la Bundeswehr para diseñar y probar en vuelo un motor aerospike lineal en abril de 2023. La empresa tiene previsto probar este nuevo motor a bordo de su cuarto demostrador de avión espacial, DEMO-4 MIRA, a finales de 2023 ^{[18] [19]} en Peenemünde, ^[20] el mismo lugar donde se desarrollaron los misiles balísticos V-2. Si tiene éxito, MIRA será el primer vehículo aeroespacial propulsado por un motor de cohete aerospike lineal durante el vuelo. ^{[21] [ se necesita una fuente no primaria ]}

Con sede en la Universidad de Bath , el Bath Rocket Team ha estado desarrollando su propio motor de cohete híbrido con una boquilla aerospike desde 2020. El motor se probó por primera vez en la Competencia Nacional de Propulsión Race to Space del Reino Unido en 2023. ^[22] El equipo está desarrollando una versión lista para volar del motor que planean volar por primera vez en EuRoC24 . ^[23]

SpaceFields, empresa incubada en el IISc, ha probado con éxito el primer motor de cohete AeroSpike de la India en sus instalaciones de Challakere el 11 de septiembre de 2024. El motor alcanzó un empuje máximo de 2000 N y contaba con compensación de altitud para lograr una eficiencia óptima. ^[24]

• Boquilla expansible
• LASRE  – Experimento SR-71 de Aerospike Linear 1997/8 NASA para X-33
• Cohete rotatorio  – EmpresaPáginas que muestran descripciones breves sin espacios
• Sabre  – Synergetic Air Breathing Rocket Engine: un híbrido de motor cohete y estatorreactor
• Boquilla deflectora de expansión

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Motores de cohetes Aerospike .

• Motor Aerospike
• Se planean motores avanzados para los cohetes Saturno y Nova mejorados, incluido el J-2T
• Motor Linear Aerospike: propulsión para el vehículo X-33
• Centro de investigación de vuelo Dryden Archivado el 25 de febrero de 2010 en Wayback Machine.
• Características y rendimiento del sistema de control del motor Aerospike
• Control de actitud del X-33 con el motor lineal Aerospike XRS-2200
• Bui, Trong; Murray, James; Rogers, Charles; Bartel, Scott; Cesaroni, Anthony; Dennett, Mike (2005). "Investigación de vuelo de una tobera Aerospike utilizando cohetes sólidos de alta potencia". 41.ª Conferencia y exposición conjunta de propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE . doi :10.2514/6.2005-3797. ISBN 978-1-62410-063-5.
• ¿Son los Aerospikes mejores que las boquillas Bell?