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David Felipe Vargas OrtízIngeniería Aeronáutica
Universidad de San Buenaventura,Usbbog
Bogotá, [email protected]
Estatorreactor de Combustión Supersónica oScramjet
Oscar Alberto Salamanca ChacónIngeniería Aeronáutica
Universidad de San Buenaventura, Usbbog Bogotá, Colombia
Jesus David Blanco GarciaIngeniería Aeronáutica
Universidad de San Buenaventura, UsbbogBogotá, Colombia
Resumen—A lo largo de la historia laindustria aeronáutica ha presenciado grandesavances al aumentar el rendimiento de lasaeronaves, a su vez determinar el empuje parasuperar la velocidad del sonido y poder asíaplicar esas nuevas tecnologías en aeronavesmilitares, carga y transporte de pasajeros,pero para los motores scramjet aún queda dudasi aplicaran para ese tipo de aeronaves, yaque la investigación de estos motores presentalimitaciones por ser una geometría simple yestática, el presente documento recopilarainformación de la historia de este tipo deestatorreactores, funcionamiento,limitaciones, componentes y característicasque determinan a un motor scramjet, al sercatalogado aun, como tecnología experimentalen la industria.
Palabras Claves— Scramjet, velocidad subsónica,velocidad supersónica, velocidad hipersónica
I. INTRODUCCIÓN Los motores Scramjet o también
conocidos como estatorreactor decombustión supersónica son utilizados pararegímenes de vuelo supersónico ehipersónico. En los que la combustióntiene lugar en un flujo de airesupersónico, El scramjet al igual que elramjet usa la velocidad del vehículo que
lo lleva para comprimir con fuerza ydesacelerar el aire antes del proceso decombustión, sin embargo, lo que losdiferencia es que un motor scramjet nodesacelera el flujo del aire a velocidadessubsónicas sino que se mantiene avelocidad supersónica, permitiéndoleoperara de manera eficiente a velocidadesextremadamente altas.
Su concepto era esencialmente un motorjet basado en compresión sram en vez deusar turbo maquinaria, en vueloshipersónicos, son motores mecánicamentesimples puestos que no tiene partesmóviles a velocidades superiores a Mach 3,el compresor deja de ser necesario paralograr la presión necesaria para que elciclo Brayton funciones. Para alcanzarvelocidades hipersónicas (Mach > 5), esnecesario tener una refrigeración continuaen los materiales expuestos a temperaturasmuy elevadas, pero el rendimiento poseedificultades, debido a tener un sistemade refrigeración que implica peso yespacio en la aeronave, convirtiéndose enuna consideración importante de diseño.Como la velocidad de vuelo seguiráaumentando, el scramjet se convierte en la
elección adecuada debido a que no requiereuna excesiva reducción de velocidad delprincipal flujo de entalpias. Teniendotodo esto en cuenta, la operación en ungran rango de velocidad, para esto esnecesario un motor capaz de dar marcha alscramjet, y esta operación usualmenterequiere tener en cuenta variaciones degeometría, funcionamiento fundamental,limitaciones y diseño.
II.DEFINICIÓNEl scramjet es una variante de un motor areacción o estatorreactor sin un difusorni partes giratorias, en donde lacombustión se lleva a cabo en un flujo deaire supersónico (1,2< Mach ≤5,0).Elscramjet usa la velocidad del vehículoque lo lleva para comprimir con fuerza ydesacelerar al aire entrante antes de lacombustión al igual que un estatorreactornormal, pero no a niveles subsónicos yaque en todo el motor el aire va velocidadsupersónica como se muestra en la figura1. [1]
Fig. 1. Esquema general de un motor Scramjet.[2]
III. HISTORIA DE LOS MOTORES SCRAMJET
La historia de los estatorreactores seremonta a la Segunda Guerra Mundial, dondela prioridad de las investigaciones era laconstrucción de aeronaves de altavelocidad, en los años 1950 y 1960 varios
científicos alemanes y militares,contribuyeron a una serie de motoresScramjet experimentales, presentando asíuna patente para un estatorreactor decombustión supersónica. Esta patente fueemitida en 1981 tras la supresión de unaorden de secreto.
En Rusia 1991, se realizó la primeraprueba exitosa sobre los estatorreactoresScramjet donde la máxima velocidad devuelo supero los Mach 6.4, durante 77segundos, después de este tiempo laaeronave se desintegro sobre latroposfera. Se realizó progresosimportantes en cuanto a desarrollo detecnología hipersónica, sin embargo, elprimer proyecto en realizar una prueba conun scramjet en la atmosfera fuedesarrollado por equipo conjunto británicoy australiano de defensa del reino unido.El 30 de julio de 2002 se puso a pruebael proyecto Hyshot diseñado como undemostrador de tecnología, que funcionoefectivamente y demostró combustiónsupersónica en acción,[3] sin embrago elmotor no fue diseñado para proporcionaempuje a una aeronave.
Durante en 2010, la NASA y la fuerzaAérea de los Estados Unidos hicieron volarcon éxito el Waverider X-51A duranteaproximadamente 200 segundos a Mach 5,estableciendo un nuevo record de velocidadhipersónica. El Waverider se llevó a bordode un B-52 como se muestra en la figura 2,se aceleró hasta una velocidad de Mach 4.5a través de un cohete propulsor sólido,luego encendí el motor Scramjet paraalcanzar Mach 5 a 70,000 pies de altura,voló autónomamente antes de perderaceleración por razón desconocida ydestruirse a sí mismo como estabaprevisto. La prueba fue declarada unéxito. [1]
Fig. 2. Waverider X-51A a bordo de un B-52.[4]
IV.FUNCIONAMIENTO
El Scramjet es un motor deautorreacción en el cual el flujo de airepermanece supersónico a través de todo elmotor, se considera que un scramjet puedefuncionar desde Mach 5 hasta por lo menosMach 15, este tipo de motor funciona yenciende a altas velocidades por lo que elrégimen de velocidad 0 no se debe tener encuenta pues el motor no se pondría enmarcha, por esta razón se utiliza un aviónplataforma que mientras vuela suelta laaeronave con el motor tipo Scramjet, paraque este alcance una velocidad supersónicay pueda llevar a cabo su ciclotermodinámico.
El proceso no es muy complejo, el motorconsta de una entrada convergente en laparte superior, lo cual causa que el flujoeleve su presión y temperatura, a su vezpasa por el aislador, que permite que lavelocidad del flujo disminuya un poco conel fin de evitar que la llama se apague yla combustión no sea exitosa, luego estepasa a la cámara de combustión donde se leinyecta una cantidad mínima de carburante,este realiza la combustión con la mezcla
de aire combustible liberando calor,aunque se puede reducir un poco lavelocidad del fluido aún permanece enrégimen supersónico, el gas es expulsadopor la tobera generando empuje para laimpulsar a la aeronave tal como se muestraen la Fig.3[5]
Fig. 3. Proceso de Flujo de aire dentro de motorScramjet[6]
Donde:
1. Interacción de capas de choque2. Arrastre (Drag)3. Flujo de aire4. Arco de choque del vehículo5. Tren de choque del aislador6. Inyección de combustible 7. Motor Scramjet8. Empuje (Thrust)9. Subsistema de combustible10. Cuerpo frontal11. Entrada interna 12. Aislador13. Cámara de combustión 14. Tobera interior15. Cuerpo trasero
Las aeronaves desarrolladas deben teneruna alta relación de sustentación-arrastrepara cruzar a altos números de M; por esolas secciones del vehículo sonrectangulares, lenticulares o aplanados,pero nunca circulares. Las partesinferiores o las alas planas pueden serútiles a la hora de la toma de aire, latoma de aire se puede colocar de unamanera tal que, cuando se necesita un
ángulo dado de ataque, es entonces posibleutilizar el choque oblicuo resultante parareducir la entrada de número de M en latoma de aire para beneficiar la eficienciade presión.
La cámara de combustión tiene solo unaentrada de aire axial, y debido a que elflujo está sometido a altos números Mresulta complicado inyectar elcombustible en el momento de cubrir todala sección rectangular, por esta razón esnecesario tener en cuenta la posición delos inyectores con el fin de realizar unacombustión eficiente, disminuyendo laprobabilidad de que se genere un choquelocal, lo que provocaría que el flujobajara su velocidad, convirtiéndolo ensubsónico dando como resultado altasperdidas de presión.
El modo Dual Ramjet, es un sistema depropulsión que, depende del número de M devuelo, puede funcionar de dos maneras. Latrayectoria del flujo puede estardeterminada por geometría fija yligeramente divergente, esto quiere decirque los puntos de inyección pueden variarde acuerdo a las condiciones (Fig.4) y loselementos de la geometría desde la toma deaire hasta la tobera de salida.[7]
Fig. 4. Posición de los inyectores en un motorscramjet[8]
Modo 1: como un ramjet con alto Machpero combustión subsónica en la garganta,por medio de un atragantamiento térmico.Un “aislador” se requiere para laoperación en un numero de Mach bajo en
operación para proporcionar una presión deentrada en la cámara de combustión másalta que la presión de combustión.
Modo 2: como scramjet con combustiónsupersónica[7]
V. CICLO TERMODINAMICO
Los motores Scramjet funcionan con elciclo termodinámico Brayton tal como semuestra en la Fig.5[9], un diagrama detemperaturas vs entalpias. Se tiene que elmotor se encuentra en condiciones decorriente libre en el punto 0, cuando seestá en velocidad crucero la entrada deaire del motor ralentiza el flujo paracomprimir en el punto 2, debido a taldisminución de velocidad parte de laenergía asociada con la velocidad delavión, aumenta la presión estática delaire y el flujo se comprime.
Fig. 5. Ciclo Termodinámico Brayton
En un ciclo ideal la compresión esisotrópica y la temperatura estáticaincrementa, en la realidad la compresiónno es del todo isotrópica debido a queincrementa la entropía del flujo, losefectos no isotrópicos son producidos porlas ondas de choque en la entrada.
El proceso de combustión se produce apresión constante del punto 3 al punto 5,el incremento de temperatura depende del
tipo de combustible usado y la relación decombustible-aire. En el ciclo ideal latobera lleva el flujo isotrópicamente a lapresión externa del punto 5 al 8. Lasexpresiones resultantes para latemperatura y entalpía resultan de la Eq.(1), la presión de la Eq. (2) y laentropía Eq. (3) representadas como[10]:
TT'
=hh'
=¿Eq. 1
PP'
=1+γ
1−γM2
❑
Eq.2
s−s'R
= 11−γ−1 ln
TT'
−ln PP'Eq. 3
En este conjunto de ecuaciones definenla condición de flujo que existiría si seañade calor para conseguir un flujosónico. Para la ecuación entalpía y laentropía se puede representar en undiagrama Mollier- y forma la línea deRayleigh, que se muestra en la Fig. 6 Cadapunto en la línea de Rayleigh correspondea una cantidad diferente de agregado decalor, q. La entropía máxima se alcanza enel punto sónica (M = 1 en el diagrama). Lainferior y la rama superior de la línea deRayleigh a la izquierda del puntocorresponden a flujo supersónico ysubsónico, respectivamente[10].
Fig.6 Línea de Rayleigh para un gas perfecto
El número de Mach disminuye; la presiónestática incrementa, aumenta la densidad;Por lo tanto, la velocidad disminuye.
Para explicar el aumento de laeficiencia de la propulsión, como semuestra en la Eq. (4), es necesario lacontribución de la eficiencia térmica; nthes la relación de la potencia mecánicagenerada en el motor a la velocidad de laenergía química y la eficiencia de chorro;nj es la relación de la potencia de empujeútil para la potencia mecánica generada enel sistema de propulsión.[10]
np=nth∗nj Eq.4
VI.LIMITACIONESA. Materiales
El desarrollo de la investigación envuelo hipersónico y supersónico harequerido innovación tecnológica en cuantoa materiales capaces de soportar altastemperaturas, muchos de estos materialesse han desarrollado desde los años 60´s, apesar de las investigaciones realizadastodos los materiales poseen ciertadesventaja, lo que aumenta el reto de losingenieros para facilitar el uso devehículos hipersónicos en el futuro. Aaltas temperaturas la fricción del airecon la aeronave puede generar temperaturasen el fuselaje de casi 1000C a unavelocidad de M 5, y pueden ser aún másextremas a temperaturas de 3000C en lacámara de combustión, temperaturas que nopueden ser soportadas por cualquier tipode material.[11] Las estructuras de estetipo de reactores son fabricadas a partirde materiales cerámicos, estos son capacesde soportar temperaturas extremadamentealtas sin perder su solides, a su veztienen una baja conductividad térmica,pueden resistir choques térmicos y unabajo coeficiente de dilatación, entreestos se destacan:
1. Oxido de Aluminio 2. Oxido de Silicio 3. Dióxido de Circonio
A pesar de su alto punto de fusiónestos materiales han terminadodeshaciéndose debido a las altastemperaturas que se generan en toda laaeronave, lo cual ha limitado eldesarrollo óptimo de esta tecnología, paraello se deben plantear nuevas estrategiasaumentando la capacidad de refrigeración,un ejemplo claro es el material Rene 41súper aleación con un sistema de HoneyCombel cual contenga litio liquido con el finde refrigerar más que un refrigeranteconvencional debido a que tiene un nivelmás alto de vaporización, el cual absorbela alta acumulación de calor. [12]B. Refrigeracion
Es complejo conseguir un buenrendimiento del sistema de lanzamientopuesto que este depende en gran medida desu peso, es por tal motivo que en losScramjet su aceleración será limitada, porlos materiales en que esta aeronave esdiseñada y la capacidad que tenga pararesistir las altas temperaturas ypresiones a las que está expuesta en vuelohipersónico, por tal motivo unos de losproblemas de diseño para la aeronave esdeterminar el aislamiento térmico de esta.Ya que los estudios, de diseño en laaeronave determinan un gran aumento detemperaturas dentro del motor, se piensaen implementar refrigeración activa,refiriéndose a la circulación a lo largode toda la piel de la aeronave, teniendoen cuenta que es un motor simple y que noposee partes móviles, esta refrigeraciónevitara su desintegración.[13]
Los investigadores se dieroncuenta de que la implementación de unsistema de refrigeración para este tipo deaeronaves, determinara un aumento decomplejidad y peso, aunque este sistema
proporcionará eficiencia, al controlartemperaturas tan altas manejadas en elmotor, influenciando así el rendimientodel Scramjet. El combustible suministradotambién tomará la función de refrigeranteuna vez este en curso, es así como losmotores a reacción interna, que realizansu mezcla internamente y utilizan sucombustible como medio refrigerante.
VII. DIFERENCIAS ENTRE RAMJET Y SCRAMJET
El diseño básico del motor Scramjetconsta de una entrada de aire a velocidadsupersónica, una cámara de combustión yuna tobera de salida con una geometría muysimple y sin elementos móviles.
El motor tipo Ramjet al igual que elScramjet no posee elementos móviles y laingesta de aire se realiza a velocidadessupersónicas, la diferencia radica en lageometría de este. Consta de una gargantade entrada de flujo y otra de salida, elobjetivo de la garganta de entrada esreducir la velocidad del flujo con el finde realizar una combustión a nivelsubsónico, luego de llevar a cabo esteproceso los gases residuales se acelerannuevamente a velocidades supersónicas conla garganta de salida para obtener unempuje. Debido a la fricción causada porla desaceleración de flujo al llegar a M5-6 el empuje generado deja de serpositivo ya que el aire llega muy calientey no se puede quemar con el combustible.[14]
Por su parte el motor Scramjet nonecesita reducir la velocidad de flujo, yaque el proceso termodinámico se lleva avelocidades supersónicas.
Como se había mencionado anteriormenteel motor tipo Scramjet utiliza hidrogenocomo combustible, esto se debe a que es elmejor combustible en términos de tiempo deinflamación pero su desventaja es el usode tanques de grandes dimensiones debido alas bajas densidades del combustible. Al
hacer referencia con el combustible usadopor el motor Ramjet se tiene el Kerosenocomo principal protagonista debido a susbajos costos, alto nivel energético y sufacilidad de almacenamiento.
Actualmente se tiene planeado usartanques de almacenamiento concaracterísticas similares a los tanques dequeroseno, con un combustible líquidoendotérmico presurizado por una bomba deturbina el cual es calentado mientrascircula por los canales de las estructurascompuestas de la cámara de combustión y seenfría directamente en la cámara decombustión al mismo tiempo, pasando por uncatalizador para transformar elcombustible en gas para ser inyectado enla cámara de combustión y obtener uncombustión con menor retraso deinflamación así como se muestra en lafigura 6. [8]
Fig. 6. Principio de una cámara de combustiónenfriada por un combustible endotérmico almacenable.[8]
VIII. EXPECTATIVAS
El vuelo del avión experimental X43-Adesarrollado por la NASA, genero unaperspectiva tecnológica revolucionariapara la aviación del futuro, a pesar deque aun esta en desarrollo; si se superantodos los problemas relacionados conmateriales y la eficiencia del motor,podría usarse a los scramjet comoalternativa para cohetes reutilizables que
transporten satélites, y misiles develocidad hipersónica. La gran ventaja quepresenta este sistema es que si es posiblepropulsar un vehículo convencional a Mach4, el scramjet podrá acelerarlo hasta Mach15, sin ser necesario utilizar los pesadostanques de oxígeno que precisan loscohetes actuales, además de que el empujede este avión puede graduarse al poseer unpropulsor modulable. [15]
Este motor posee pocos elementos mecánicosmóviles y utiliza como combustiblehidrogeno, que se mezcla con el oxígenodel aire cuando este motor se encuentra avelocidades supersónicas, esto lo hace máspequeño y ligero, por lo que permitiríausarlo para poner en órbita cargas máspesadas.[16]
IX.CONCLUSIONES
Se evidencia una gran diferencia entrelos motores a reacción convencionalesy el motor scramjet en el momento deanalizar sus componentes, combustibley las velocidades de funcionamiento.
El motor scramjet es el único motorque mantiene en todo su ciclotermodinámico la velocidad del flujoen supersónico.
El motor scramjet por no poseer uncompresor axial o centrifugo como enlos estatorreactores convencionales,este tiene que ser impulsado por otromotor a reacción, que le permitaalcanzar la velocidad defuncionamiento
El scramjet es determinado actualmentecomo experimental ya que, presentalimitaciones que no le permiten unexitoso funcionamiento por sudesintegración a altas velocidades ypoco tiempo de operación.
La industria aeroespacial continúa conel análisis de este tipo de motor quepermita un gran avance tecnológico,
para así poder aplicar en nuevas yavanzadas aeronaves.
REFERENCIAS
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