ScramjetDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a: navegacin,bsqueda

X-43Acon un motor scramjet situado en la parte inferior.Elestatorreactor de combustin supersnica, ms conocido por su nombre eninglsscramjet,[1]es una variacin de unestatorreactorcon la distincin de que una parte o la totalidad del proceso de combustin se lleva a cabo supersnicamente. A mayores velocidades, es necesario combustin supersnica para maximizar la eficiencia del proceso de combustin. Las proyecciones para la velocidad de un motor scramjet, sin aporte adicional de oxidante, varan entre Mach 12 y Mach 24 (velocidad orbital). ElX-30en pruebas ha alcanzado una velocidad de Mach 17, debido a problemas en el tipo de combustin. A modo de contraste, el ms rpido de los aviones convencionales, que utilizan el aire para sustentarse, es elLockheed SR-71de laFuerza Area de los Estados Unidosque alcanza aproximadamente Mach 3,4. Los cohetes delPrograma Apololograron Mach 30.ndice 1Orgenes 2Un simple tubo vaco 3Ventajas y desventajas de scramjets 3.1Ventajas 3.2Refrigeracin y materiales especiales 3.3Motor peso y la eficiencia 4Presente y futuro 5Vase tambin 6Referencias 7Enlaces externos

[editar]OrgenesLa idea original del hiperreactor oramjet, nace a principios del siglo XX, en 1913 (fecha de la patente) de las manos deRen Lorin. Este ingeniero francs pone las bases tericas, bajo el simpleciclo termodinmicode compresin, combustin, y expansin, para lo que l denominTobera Termopropulsora. Un reactor que podra alcanzar velocidades hipersnicas, por aquel entonces inimaginables.No fue hasta dos dcadas ms tarde, en 1933, cuandoRen Leducredescubri las ideas de Ren Lorin, entonces elRamjet, denominado as en laUnin Sovitica, yestatorreactoren Francia, apareci como el reactor ideal, de gran potencia, mxima eficiencia y mnimo coste de produccin, pues al desaparecer las partes mecnicas quedaba como un mero tubo, de muy fcil manufactura. Pero el Ramjet tiene el inconveniente de que es incapaz de despegar por s mismo. Un avin con una propulsin hipersnica de este tipo necesita ser acelerado por otro hasta una velocidad mnima (Mach 3) o estar equipado con un motor hbrido que pudiera funcionar como unturborreactorpara el despegue y aterrizaje, que no existe por el momento; y permitiera un modo Ramjet, durante el vuelo. Para tener una idea del salto entre este reactor y el resto debemos tener en cuenta que el propulsor atmosfrico ms rpido es elSR-71 Blackbirdque alcanza Mach 3, mientras el Ramjet podra alcanzar Mach 10.[editar]Un simple tubo vacoLa idea bsica de Ren Lorin era un tubo que mientras va absorbiendo aire lo comprime por la misma presin generada por su velocidad y el diseo aerodinmico del interior, entonces se le suministra un combustible que reacciona con el oxgeno y la combustin crea la expansin, el flujo, que impulsaba la nave. Un simple ciclo de compresin, combustin, y expansin que permite alcanzar altsimas velocidades, sin ninguna parte mvil necesaria para la compresin, y con un altsimo rendimiento. Siendo mecnicamente sencilla la mayor complejidad se encuentra en su diseo aerodinmico del que depende todo.

Esquema de un motorramjet.

Esquema de un motor scramjet.Podemos ver el diseo de un reactorramjet, el aire entra a velocidades supersnicas por la boca del reactor y reduce su velocidad hasta niveles subsnicos por medio de difusin aerodinmica creada por la isleta y el difusor. El aire entra en la cmara de combustin y reacciona con el combustible, generando un flujo de salida que, si es mayor que el de entrada, impulsar la nave. Uno de los lmites del ramjet es que hasta velocidades de Mach 3 no funciona, por lo que necesita de otros propulsores para empezar a funcionar, pero tambin est limitado en velocidad mxima a Mach 6. Los propulsores ramjet no pueden superar este lmite. El empuje deja de ser positivo, debido a la friccin generada por la desaceleracin necesaria para la combustin, el aire llega tan caliente que no puede quemarse con el combustible. La nica forma de evitar esto es no desacelerar el aire de entrada y es ah donde entra el scramjet delX-43A.Scramjet (supersonic combustion ramjet), tipo de reactor del X-43A, no reduce la velocidad del aire para su combustin sino que esta se realiza a travs de l. Es necesario realizar una combustin muy rpida (generalmente se usa hidrgeno), pero no crea el problema de la friccin y su velocidad lmite est an por ver, quizs mach 20. Es mecnicamente muy simple pero extremadamente complejo en aerodinmica, ms incluso que el ramjet. Los tres ejemplares, con pequeas diferencias cada uno, que se probaron en los ensayos del proyecto Hyper-X han sido los primeros scramjets de la historia de la aerodinmica, y todava est por ver todo su potencial.[editar]Ventajas y desventajas de scramjets[editar]Ventajas1. No tiene que llevar el oxgeno.2. No hay piezas giratorias hace ms fcil para la fabricacin.3. Tiene un impulso especfico ms alto (cambio en el momento por unidad de propulsante) que un motor convencional, podra proporcionar entre 1000 y 4000 segundos, mientras que un cohete slo proporciona 600 segundos o menos.4. Mayor velocidad podra significar un acceso ms barato al espacio exterior en el futuro.[editar]Refrigeracin y materiales especialesA diferencia de un cohete que pasa vertical y rpidamente a travs de la atmsfera o de un turborreactor o estatorreactor que vuela a velocidades mucho ms bajas, un vehculohipersnicoalimentado de aire vuela de manera ptima en una "trayectoria deprimida", quedando dentro de la atmsfera a velocidades hipersnicas. Debido a que los scramjets slo tienen relaciones mediocres empuje / peso, la aceleracin sera limitada. Por lo tanto el tiempo en la atmsfera a una velocidad hipersnica sera considerable, posiblemente 15-30 minutos. Igual que sucede en unareentrada atmosfrica, el aislamiento del calor se convierte en una tarea formidable. El tiempo en la atmsfera sera mayor que la de una tpicacpsula espacial, pero menor que la deltransbordador espacial.Los nuevos materiales ofrecen un buen aislamiento a alta temperatura, pero a menudo se sacrifican en el proceso. Una alternativa podra ser la "refrigeracin activa", donde se utilizara un refrigerante que circulara a travs de la piel del vehculo impidiendo que se desintegrase. Se estudia que el refrigerante sea el propio combustible de la misma manera que los cohetes modernos usan su propio combustible y oxidante como refrigerante de los motores. Todos los sistemas de refrigeracin aaden peso y complejidad a un lanzamiento. El enfriamiento de scramjets de esta manera puede resultar en una mayor eficiencia, ya que el calor se agrega al combustible antes de la entrada en el motor, pero el resultado es un aumento de la complejidad y el peso que en ltima instancia podra superar cualquier mejora de rendimiento.[editar]Motor peso y la eficiencia

Impulso especfico de distintos reactoresEl rendimiento de unlanzamiento del sistemaes complejo y depende en gran medida de su peso. Normalmente los vehculos estn diseados para maximizar el alcance (), orbitales radio () o fraccin de masa de carga til () para un motor en concreto y combustible. Este es el resultado de las compensaciones entre la eficiencia del motor (Peso de despegue de combustible) y la complejidad del motor (Peso de despegue seco), que puede ser expresado por el siguientes:

Dnde: es la fraccin de masa en vaco, y representa el peso de la superestructura, tanques y el motor. es la fraccin de masa de combustible, y representa el peso de combustible, oxidante y cualquier otro material que se consumen durante el lanzamiento. es la relacin masa inicial, y es la inversa de la fraccin de masa de carga til. Esto representa la cantidad de carga til el vehculo puede entregar a un destino.Un scramjet aumenta la masa del motorpor un cohete, y disminuye la masa del combustible. Puede ser difcil decidir si esto se traducir en un aumento de(lo que sera una carga mayor entregados a un destino para un despegue constante de vehculos de peso). La lgica detrs de los esfuerzos de la conduccin de un scramjet es (Por ejemplo) que la reduccin de combustible disminuye la masa total en un 30%, mientras que el peso del motor aument aade 10% de la masa total del vehculo. Por desgracia, la incertidumbre en el clculo de las masas o la eficiencia cambios en un vehculo es tan grande que un poco diferente hiptesis de eficiencia de los motores o de comunicacin pueden proporcionar buenas razones a favor o en contra de alimentacin scramjet los vehculos.Adems, el arrastre de la nueva configuracin debe ser considerado. El arrastre de la configuracin total puede ser considerado como la suma de la resistencia del vehculo () y el arrastre del motor de instalacin (). El arrastre de instalacin tradicional los resultados de los pilones y el flujo acoplado debido a la motores a reaccin, y es una funcin de la posicin del acelerador.Por lo tanto, muchas veces se escribe como:Dnde: es el coeficiente de prdidas es el empuje del motorPara un motor muy integradas en la aerodinmica cuerpo, puede ser ms conveniente pensar en () como la diferencia en la resistencia de un conocido base de configuracin.El generalmotor de la eficaciapuede ser representada como una valor entre 0 y 1 (), en trminos de elimpulso especficodel motor:

Dnde: es la aceleracin de la gravedad en nivel del suelo es la velocidad del vehculo es laimpulso especfico es el combustible [calor [la reaccin]]El impulso especfico se utiliza a menudo como la unidad de la eficiencia para cohetes, ya que en el caso del cohete, hay un relacin directa entre el impulso especfico, [de combustible [especficas consumo (empuje) | consumo especfico de combustible]] y velocidad de escape. Esta relacin directa no es general impulso actual para los motores de airbreathing, y especficas para es menos utilizada en la literatura. Tenga en cuenta que para una airbreathing motor, tantoyson una funcin de la velocidad.El impulso especfico de un [cohete] [] motor valores independientes de la velocidad, y son comunes entre 200 y 600 segundos (450S para el transbordador espacial principal motores). El impulso especfico de un scramjet vara con la velocidad, reduciendo a velocidades ms altas, a partir de unos Ao 1200, aunque los valores en la literatura varan.Para el caso simple de un vehculo de una sola etapa, el combustible fraccin de masa se puede expresar como:

Cuando esto se puede expresar de [[de una etapa a rbita | Traslado de una sola etapa de] la rbita] como:

o de nivel de vuelo atmosfrico a partir deaire lanzamiento([Misiles []] de vuelo):

Cuandoes laRango, y el clculo se puede expresar en la forma de laBreguetfrmula de gama:

Dnde: es elcoeficiente de sustentacin es elcoeficiente de arrastreEsta formulacin es extremadamente simple, y se ha asumido: Vehculo de una sola etapa No hay sustentacin aerodinmica para el levantador transatmosfricoSin embargo lo anteriormente explicado es cierto en general para todos los motores.[editar]Presente y futuro

Esquema de funcionamiento del Scramjet en comparacin con un reactor convencional.El futuro en mente de la NASA es la posibilidad de reducir los costes de las lanzaderas, propulsores como el X-43A alcanzaran velocidades suficientes para vencer la atraccin terrestre (Mach 10). Reduciendo el coste de la puesta en rbita, la posibilidad de enviar ms misiones y ms grandes sera viable, pero ante este futuro nos encontramos con el problema endmico del ramjet, la velocidad mnima de ignicin, y en el caso de una lanzadera espacial su uso est limitado a etapas atmosfricas, como dice el profesor Manuel Martnez Snchez profesor del MIT ...para poder usar el aire ambiente se necesita una trayectoria larga y suave dentro de la atmsfera, porque las trayectorias normales de cohetes se salen de ella enseguida, y nos quedaramos sin oxgeno antes de tiempo. Eso implica sustentacin, es decir, alas que soporten el peso de la nave, y si no recuerdo mal, el porcentaje de masa para esas alas anda por el 11%. Adems, la estructura tiene que ser capaz de aguantar flujos trmicos enormes, como los de una reentrada. Eso no ocurre con los cohetes lanzadores, por la misma razn de antes, es decir, para cuando se alcanzan nmeros de Mach del orden de 6-8 y empezaran los problemas trmicos, el cohete ya est fuera de la atmsfera.[citarequerida]El nico proyecto serio hasta la fecha para el desarrollo de un transbordador con una estructura de alas y trayectoria larga de despegue que aguantara velocidades del orden de Mach 20 por medio de reactores scramjet para ponerse en rbita fue el fallido NASP (National Aerospacial Plane). Sueo aeroespacial de la administracin Reagan en los aos 80 que pretenda poner a Tokio de Nueva York en dos horas y reducir el coste de los viajes espaciales. Pero el proyecto fracas porque no existan en aquel entonces las tecnologas necesarias y en 1994 el congreso de los EE.UU. corto los fondos al proyecto. El programa Hiper-X es heredero de este y el X-43A la demostracin de que es posible

El Scramjet el Motor Hipersnico de Hidrgeno

Se conoce como scramjet un tipo de motor a reaccin que carece de partes mviles como un motor convencional, en el cual debido a la velocidad de entrada del aire y al diseo interior del motor, se comprime el aire en la cmara de combustin lo que permite alcanzar velocidades hipersnicas, de Mach 10 o incluso ms.Historia y Desarrollo:Originalmente la idea del hiperreactor o ramjet como se le conoci inicialmente fue patentada en 1913 por el ingeniero francs Rene Lorin. Este propuso las bases tericas, empleando simplemente el ciclo termodinmico de compresin, combustin y expansin, por lo que inicialmente denomin a su idea Tobera Termopropulsora. De esta manera se podran alcanzar velocidades que an en estos das cuesta imaginar.Dos dcadas ms tarde, la idea fue redescubierta por Rene Leduc, gracias al cual el Ramjet (Denominacin dada en la Unin Sovitica) vino a ser visto como el diseo de propulsor ideal, por su gran potencia, mxima eficiencia y su reducido costo de produccin en comparacin con otros diseos, ya que carece de partes mviles lo que facilita bastante su construccin. El ramjet sin embargo tiene un serio inconveniente el cual consiste en que es incapaz de despegar por si mismo ya que necesita ser acelerado a una velocidad mnima de Mach 3 para empezar a funcionar, por lo cual tiene que estar equipado con un motor hbrido que al despegue funcione como un motor jet convencional y en pleno vuelo a modo ramjet.

La idea principal sobre la que descansa el ramjet es acerca de un tubo que absorbe aire y lo comprime por la presin generada por la velocidad y el diseo del interior del tubo, mientras se suministra el combustible, el cual reacciona con el oxigeno del aire produciendo la combustin que produce el flujo que le brinda su impulso a la aeronave. Bsicamente es un ciclo de compresin, combustin y expansin que brinda la posibilidad de alcanzar altas velocidades, sin que para ello intervenga ninguna parte mecnica mvil y que cuenta con un rendimiento bastante elevado. El ramjet en si es mecnicamente muy sencillo, su complejidad real radica en su diseo el cual es muy complicado aerodinmicamente hablando. En el diseo del ramjet, el aire entra a velocidades supersnicas por la entrada del motor, por lo cual es necesario reducir la velocidad de ese flujo a niveles subsnicos, usando para ello difusin aerodinmica mediante el diseo mismo del motor, lo cual contribuye a la complejidad de la que se hablo anteriormente. El aire al entrar en la cmara de combustin se mezcla con el combustible y se encienden generando un impulso de salida, el cual debe ser mayor al de la entrada para as impulsar al avin. Esto le permite al ramjet alcanzar velocidades hasta de Mach 6, la cual sin embargo es su velocidad lmite debido a que por encima de esta velocidad el empuje generado por el propulsor deja de ser positivo, esto debido a la friccin que se genera por la desaceleracin necesaria para la combustin (recordar que para que el ramjet funcione debe reducirse la velocidad del aire entrante), el aire llega a la cmara de combustin tan caliente que no puede reaccionar con el combustible para producir la combustin. La nica manera de evitar este efecto es evitando la desaceleracin del aire al entrar al motor, modificando para ello el ramjet. Dicha variante es conocida como scramjet (ramjet de combustin supersnica) la cual esta siendo utilizada en diseos prototipo como el X-43 A y el X-51 A entre otros.

Este diseo no reduce la velocidad del aire para producir la combustin, ya que esta se realiza directamente a travs del flujo de aire supersnico entrante. Para ello es necesario emplear una reaccin de combustin sumamente rpida, por lo cual se usa hidrgeno como combustible. Debido a que no se precisa reducir la velocidad del aire, no se crea ningn problema de friccin, por lo cual tericamente no existe una velocidad limite, por lo cual podra alcanzarse hasta Mach 20. Mecnicamente el diseo es muy simple al igual que el ramjet sin embargo a nivel aerodinmico puede ser extremadamente complejo, incluso ms que este. A pesar de esto, el scramjet es el diseo para alcanzar velocidades hipersnicas mas estudiado y probado hasta el momento, siendo investigado en varios pases, dadas sus posibles aplicaciones tanto a nivel comercial como militar.

Futuro del Scramjet:Dado el enorme potencial que tiene el scramjet, actualmente las principales potencias compiten por poder disear una aeronave que combine un despegue convencional turbojet con una propulsin de tipo scramjet que posibilite los vuelos hipersnicos. Tanto en Europa como en Rusia se desarrollan programas similares a los que se desarrollan en Estados Unidos (Programa Hiper-X) con la colaboracin de sus ms importantes empresas aeronuticas. Los norteamericanos ya han desarrollado prototipos como el X-43 A con el que se han realizado pruebas en las que se han alcanzado velocidades de hasta Mach 10 por unos segundos, lo cual brinda una idea del enorme potencial del scramjet. Este proyecto se desarrolla en conjunto por la NASA y la empresa Boeing.

Para la NASA el scramjet brinda la posibilidad de reducir los costos de los vuelos espaciales, ya que se podra alcanzar velocidades suficientes para escapar a la fuerza de gravedad terrestre sin tener que emplear costosos y complicados cohetes que solo pueden ser usados una vez. Al reducirse el costo de las puestas en rbita, es posible realizar ms misiones y de mayor duracin. Sin embargo el scramjet no est exento de problemas, adems de la velocidad mnima de encendido (Mach 3), para un vehculo espacial su uso esta limitado a operar en etapas atmosfricas ya que depende del oxgeno del aire. Para esto sera necesario emplear trayectorias largas y suaves dentro de la atmsfera (una trayectoria normal de cohete lo sacara rpidamente de la atmsfera), lo cual implica sustentacin, para lo cual se necesitan alas. La estructura debe ser capaz de soportar las enormes temperaturas que se producen por friccin a velocidades hipersnicas tanto a la hora de volar como de efectuar la reentrada atmosfrica. Los cohetes no tienen este problema ya que cuando alcanzan altas velocidades, debido a su trayectoria vertical ya estn prcticamente fuera de la atmsfera.

A pesar de estas dificultades, el scramjet y las aeronaves que vuelen a velocidades de Mach 10 o ms son una posibilidad cada vez mas cercana, gracias a los recientes avances y a las investigaciones que se realizan en este campo. Prototipos como el X-43 A han demostrado que la tecnologa es viable y que no esta lejano el da en que se pueda realizar un viaje de Nueva York a Tokio en 2 horas y que los vuelos espaciales sean algo de rutina gracias a la reduccin de costos. Un lado negativo de esta tecnologa es que ya est siendo estudiada en Estados Unidos la posibilidad de disear bombarderos con la capacidad de desarrollar velocidades hipersnicas y de atacar cualquier punto del planeta desde los Estados Unidos en menos de 2 horas con precisin total. Este tipo de aeronave, con velocidades de Mach 10 o ms, volando casi al nivel del espacio exterior, sera prcticamente imposible de derribar, lo cual, la convertira en un arma estratgica de un potencial devastador.

El Scramjet el Motor Hipersnico de HidrgenoAeronutica

Se conoce como scramjet un tipo de motor a reaccin que carece de partes mviles como un motor convencional (coches,motos,camiones,etc), en el cual debido a la velocidad de entrada del aire y al diseo interior del motor, se comprime el aire en la cmara de combustin lo que permite alcanzar velocidades hipersnicas, de Mach 10 o incluso ms.

La idea principal del ramjet (predecesor del scramjet) se basa en un tubo que absorbe aire y lo comprime por la presin generada por la velocidad y el diseo del interior del tubo, mientras se suministra el combustible, el cual reacciona con el oxigeno del aire produciendo la combustin que produce el flujo que le brinda su impulso a la aeronave. Bsicamente es un ciclo de compresin, combustin y expansin que brinda la posibilidad de alcanzar altas velocidades, sin que para ello intervenga ninguna parte mecnica mvil y que cuenta con un rendimiento bastante elevado. Su principal problema surge en el diseo aerodinamico debido a su complejidad.

En el diseo del ramjet, el aire entra a velocidades supersnicas por la entrada del motor, por lo cual es necesario reducir la velocidad de ese flujo a niveles subsnicos, usando para ello el propio diseo aerodinamico del motor. El aire al entrar en la cmara de combustin se mezcla con el combustible y se encienden generando un impulso de salida, el cual debe ser mayor al de la entrada para as impulsar al avin.

Esto le permite al ramjet alcanzar velocidades hasta de Mach 6, esta es su velocidad lmite debido a que por encima de esta velocidad el empuje generado por el propulsor no es suficiente para seguir aumentando su velocidad, esto es debido a la friccin que se genera por la desaceleracin necesaria para la combustin (recordar que para que el ramjet funcione debe reducirse la velocidad del aire entrante).

La nica manera de evitar este efecto es evitando la desaceleracin del aire al entrar al motor, modificando para ello el ramjet. Dicha variante es conocida como scramjet (ramjet de combustin supersnica).

Este diseo no reduce la velocidad del aire para producir la combustin, ya que esta se realiza directamente a travs del flujo de aire supersnico entrante. Para ello es necesario emplear una reaccin de combustin sumamente rpida, por lo cual se usa hidrgeno como combustible. Debido a que no se precisa reducir la velocidad del aire, no se crea ningn problema de friccin, por lo cual tericamente no existe una velocidad limite, por lo cual podra alcanzarse hasta Mach 20.