Proyectos X de Ayer y Hoy - Machtres aeronautica y espacio

Scramjet

El estatorreactor de combustión supersónica, más conocido por su nombre en inglés scramjet, es una variación de un estatorreactor con la distinción de que una parte o la totalidad del proceso de combustión se lleva a cabo supersónicamente. A mayores velocidades, es necesario combustión supersónica para maximizar la eficiencia del proceso de combustión. Las proyecciones para la velocidad de un motor scramjet (sin aporte adicional de oxidante) varían entre Mach 12 y Mach 24 (velocidad orbital). El X-30 en pruebas ha alcanzado una velocidad de Mach 17, debido a problemas en el tipo de combustión. A modo de contraste, el más rápido de los aviones convencionales, que utilizan el aire para sustentarse, es el Lockheed SR-71 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. alcanzando aproximadamente Mach 3,4 y los cohetes del Programa Apolo lograron Mach 30.

Orígenes
La idea original del hiperreactor o ramjet, nace a principios del siglo XX, en 1913 (fecha de la patente) de las manos de René Lorin. Este ingeniero francés pone las bases teóricas, bajo el simple ciclo termodinámico de compresión, combustión, y expansión, para lo que él denominó Tobera Termopropulsora. Un reactor que podría alcanzar velocidades hipersónicas, por aquel entonces inimaginables.
No fue hasta décadas más tarde, 1933, que René Leduc redescubrió las ideas de René Lorin, entonces el Ramjet (denominado así en la Unión Soviética) apareció como el reactor ideal, de gran potencia, máxima eficiencia y mínimo coste de producción, pues al desaparecer las partes mecánicas quedaba como un mero tubo, de muy fácil manufactura. Pero el Ramjet tiene el inconveniente de que es incapaz de despegar por sí mismo. Un avión con una propulsión hipersónica de este tipo necesita ser acelerado por otro hasta una velocidad mínima (Mach 3) o estar equipado con un motor híbrido que pudiera funcionar como un turborreactor para 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 atmosférico más rápido es el SR-71 Blackbird que alcanza Mach 3, mientras el Ramjet podría alcanzar Mach 10.

Un simple tubo vacío
La idea básica de René Lorin era un tubo que mientras va absorbiendo aire lo comprime por la misma presión generada por su velocidad y el diseño aerodinámico del interior, entonces se le suministra un combustible que reacciona con el oxígeno y la combustión crea la expansión, el flujo, que impulsaba la nave. Un “simple” ciclo de compresión, combustión, y expansión que permite alcanzar altísimas velocidades, sin ninguna parte móvil necesaria para la compresión, y con un altísimo rendimiento. Siendo mecánicamente sencilla la mayor complejidad se encuentra en su diseño aerodinámico del que depende todo.

Podemos ver el diseño de un reactor ramjet, el aire entra a velocidades supersónicas por la boca del reactor, nada más entrar es necesario reducir su velocidad hasta niveles subsónicos por medio de difusión aerodinámica creada por el istmo y el difusor. El aire entra en la cámara de combustión y se mezcla con el combustible, prenden generando un flujo de salida que, si es mayor que el de entrada, impulsará la nave. Uno de los límites del ramjet es que hasta velocidades de Mach 3 no funciona, por lo que necesita de otros propulsores para empezar a funcionar, pero también está limitado en velocidad máxima a Mach 6. Los propulsores ramjet no pueden superar este límite. El empuje deja de ser positivo, debido a la fricción generada por la desaceleración necesaria para la combustión, el aire llega tan caliente que no puede quemarse con el combustible. La única forma de evitar esto es no desacelerar el aire de entrada y es ahí donde entra el scramjet del X-43A.

Scramjet (supersonic combustión ramjet), tipo de reactor del X-43A, no reduce la velocidad del aire para su combustión, si no que esta se realiza a través de él. Es necesario realizar una combustión muy rápida, generalmente se usa hidrógeno, pero no crea el problema de la fricción y su velocidad límite está aún por ver, quizás mach 20. Es mecánicamente muy simple pero extremadamente complejo en aerodinámica, más incluso que el ramjet. Los tres ejemplares, con pequeñas diferencias cada uno, que se probaron en los ensayos del proyecto Hyper-X han sido los primeros scramjets de la historia de la aerodinámica, y todavía está por ver todo su potencial.

Presente y futuro
La discapacidad de los motores hipersónicos han sido un freno para su uso en la aeronáutica, pero no los ha condenado al olvido, desde el final de la 2ª Guerra Mundial se han desarrollado misiles tácticos con esta propulsión. Pero el futuro del ramjet no se encuentra únicamente en los misiles, y en ambos lados del atlántico se compite por alcanzar un avión que combine un despegue turbojet, con las velocidades supersónicas del ramjet. Tanto Europa, como Rusia, unidos a sus respectivas empresas aeronáuticas desarrollan programas parecidos al Hiper-X de los EE.UU. Este proyecto desarrolla evoluciones del ramjet como el scramjet (supersonic combustion ramjet) del X-43A que desarrollan en conjunto la NASA y Boeing.

El futuro en mente de la NASA es la posibilidad de reducir los costes de las lanzaderas, propulsores como el X-43A alcanzarían velocidades suficientes para vencer la atracción terrestre (Mach 10). Reduciendo el coste de la puesta en órbita, la posibilidad de enviar más misiones y más grandes sería viable, pero ante este futuro nos encontramos con el problema endémico del ramjet, la velocidad mínima de ignición, y en el caso de una lanzadera espacial su uso está limitado a etapas atmosféricas, como dice el profesor Manuel Martínez Sánchez profesor del MIT “...para poder usar el aire ambiente se necesita una trayectoria larga y suave dentro de la atmósfera, porque las trayectorias normales de cohetes se salen de ella enseguida, y nos quedaríamos sin oxígeno antes de tiempo. Eso implica sustentación, 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%. Además, la estructura tiene que ser capaz de aguantar flujos térmicos enormes, como los de una reentrada. Eso no ocurre con los cohetes lanzadores, por la misma razón de antes, es decir, para cuando se alcanzan números de Mach del orden de 6-8 y empezarían los problemas térmicos, el cohete ya está fuera de la atmósfera.”

El único 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 órbita fue el fallido NASP (National Aerospacial Plane). Sueño aeroespacial de la administración Reagan en los años 80 que pretendía poner a Tokyo de Nueva York en 2 horas y reducir el coste de los viajes espaciales. Pero el proyecto fracasó porque no existían en aquel entonces las tecnologías 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 demostración de que es posible.


NASA X-43
 
El NASA X-43 es un avión experimental no tripulado impulsado por un motor scramjet diseñado para volar a velocidades superiores a Mach 10. Es parte del programa Hyper-X de la NASA. Forma parte de la serie de aeronaves experimentales estadounidenses denominadas aviones X.
Los primeros datos obtenidos por el vehículo experimental de alimentación scramjet demostraron que su revolucionario motor funcionó con éxito a casi Mach 9,8 o 7.000 millas por hora (11.000 km/h), mientras volaba a 110.000 pies (33.000 metros).

Desarrollo
El vuelo que respondió a la máxima “a mayor riesgo mayor recompensa”, y que fue inicialmente planeado para el 15 de noviembre, tuvo lugar en el espacio aéreo restringido de un área sobre el océano Pacífico, al noroeste de Los Ángeles. Este vuelo fue el último y el más rápido de un total de 3 pruebas de vuelo no tripulado, efectuadas en el seno del programa Hyper-X. El propósito de este programa es la exploración de una forma alternativa de alimentación en los cohetes de los vehículos espaciales. Este vuelo es la piedra angular y el paso fundamental hacia el futuro, abriendo posibilidades de producir propulsores que envíen al espacio cargas grandes y críticas de modo fiable.