Scramjet

El Bell X-1 alcanzó el vuelo supersónico en 1947, para el comienzo de los 1960s, el rápido progreso hacia los aviones más rápidos sugería que los aviones operacionales podría volar a velocidades "hipersónicas" en algunos años. Excepto por vehículos de investigación de cohete especializados como el North American X-15 y otras naves espaciales potenciadas por cohete, las velocidades tope de aviones han permanecido a nivel, generalmente en el rango de Mach 1 a Mach 3.

Durante el programa de avión aeroespacial, entre los 1950s y 1960s, Alexander Kartveli y Antonio Ferri fueron proponentes de la aproximación scramjet.

En los 1950s y 1960s, una variedad de motores scramjet experimentales fueron construidos y probados en tierra en los EU y RU. Antonio Ferri exitosamente demostró un scramjet produciendo empuje neto en noviembre 1964, eventualmente produciendo 517 libras-fuerza (2.30 kN), cerca del 80% de su objetivo. En 1958, un artículo analítico discutió los méritos y desventajas de los ramjets de combustión supersónica. En 1964, Frederick S. Billig y Gordon L. Dugger enviaron una aplicación de patente de un ramjet de combustión supersónica basado en la tesis de Billig. Esta patente fue emitida en 1981 siguiendo la remoción de una orden de secretividad.

En 1981, se hicieron pruebas en Australia bajo la guía del Profesor Ray Stalker en la instalación de pruebas terrestres en ANU.

El primer vuelo de prueba exitoso de un scramjet fue realizado como un esfuerzo conjunto con la NASA, sobre la Unión Soviética en 1991. Fue un scramjet de eje simétrico de combustible hidrogeno de modo dual desarrollado por la "Central Institute of Aviation Motors (CIAM)", en Moscú en los tardíos 1970s, pero modernizado con una aleación FeCrAl en un mísil SM-6 convertido para alcanzar parámetros de vuelo inicial de Mach 6.8, antes que el scramjet volará a Mach 5.5. El vuelo del scramjet fue volado con carga cautiva encima del mísil de superficie - aire SA-5 que incluía una unidad de soporte de vuelo experimental conocido como el "Hypersonic Flying Laboratory" (HFL), "Kholod".

Entonces, desde 1992 a 1998, unos seis vuelos prueba adicionales del demostrador scramjet de alta velocidad eje simétrico fueron conducidos por la CIAM junto con Francia y después con la NASA. La velocidad de vuelo máxima mayor que Mach 6.4 fue alcanzada y se demostró la operación del scramjet durante 77 segundos. Esa serie de vuelos prueba también proveyeron conocimiento en los controles de vuelo hipersónico autónomo.

En los 2000s, se hizo un progreso significativo en el desarrollo de la tecnología hipersónica, particularmente en el campo de motores de scramjet.

El proyecto HyShot demostró la combustión scramjet el 30 de julio del 2002. El motor scramjet trabajo efectivamente y demostró la combustión supersónica en acción. Sin embargo, el motor no fue diseñado para proveer empuje a la nave. Fue diseñado más o menos como una tecnología de demostración.

Un equipo conjunto de británicos y australianos desde la compañía de defensa del RU Qinetiq y la Universidad de Queensland fueron el primer grupo en demostrar un scramjet trabajando en una prueba atmosféricas.

El Hyper-X reclamó el primer vuelo en un vehículo productor de impulso potenciado por scramjet con superficies de maniobra aerodinámica en el 2004 con el X-43A. La última de las tres pruebas de scramjet X-43A alcanzó Mach 9.6 por un breve tiempo.

El 15 de junio del 2007, la "US Defense Advanced Research Project Agency (DARPA)", en cooperación con la "Australian Defence Science and Technology Organisation (DSTO)", anunciaron un vuelo de scramjet exitoso a Mach 10 utilizando motores de cohete para impulsar el vehículo de prueba a velocidades hipersónicas.

Una serie de pruebas terrestres de scramjet fueron completadas en la "NASA Langley Arc-Heated Scramjet Test Facility (AHSTF)" en condiciones de vuelo Mach 8 simulados. Estos experimentos fueron utilizados para soportar el "HIFiRE flight 2".

El 22 de mayo del 2009, Woomera alojó el primer vuelo de pruebas exitoso de un avión hipersónico en "HIFire (Hypersonic International Flight Research Expermentation)". El lanzamiento fue uno de diez vuelos de prueba planeados. Las series de vuelos es parte de un programa de investigación conjunto entre la "Defence Science and Technology Organisation" y la "US Air Force", designado como la "HIFiRE". La "HIFiRE" esta investigando la tecnología hipersónica y su aplicación a vehículos de lanzamiento espacial potenciados por scramjets; el objetivo es apoyar el nuevo demostrador Boeing X-51 scramjet, mientras también se construye una base sólida en datos de prueba de vuelo para el desarrollo de lanzamiento espacial de reacción rápida y armas de "ataque rápido" hipersónico.

El 22 y 23 de marzo del 2010, científicos de defensa australianos y americanos exitosamente probaron un cohete hipersónico (HIFiRE). Alcanzó una velocidad atmosférica de "más de 5,000 kilometros por hora" Mach 4), después de despegar desde la "Woomera Test Range" en las afueras de Australia del Sur.

El 27 de mayo, la NASA y la "United States Air Force" exitosamente volaron el X-51A Waverider por aproximadamente 200 segundos a Mach 5, estableciendo un nuevo récord mundial por duración de vuelo a velocidad del aire hipersónica. El Waverider voló autónomamente antes de perder aceleración por una razón desconocida y se destruyó el mismo como estaba planeado. La prueba fue declarada un éxito. El X-51A fue llevado a bordo de un B-52, acelerado a Mach 4.5 vía un impulsor cohete sólido, y entonces encendió el motor scramjet Pratt & Whitney Rocketdyne para alcanzar Mach 5 a 70,000 pies (21,000 m). Sin embargo, un segundo vuelo el 13 de junio del 2011 se terminó prematuramente cuando el motor se encendió brevemente en etileno pero fallo la transición a su combustible primario JP-7, fallando en alcanzar su potencia total.

El 16 de noviembre del 2010, científicos australianos desde la "University of New South Wales at the Australian Defence Force Academy" exitosamente demostraron que el flujo de alta velocidad en un motor scramjet no quemado naturalmente puede ser encendido utilizando una fuente de laser pulsante.

Una prueba posterior de X-51A Waverider fallo el 15 de agosto del 2012. El intento de volar el scramjet por un prolongado período a Mach 6 fue acortado cuando, solo 15 segundos en el vuelo, la nave X-51A perdió control y se rompio, cayendo en el Océano Pacífico al noroeste de Los Angeles. La causa de la falla fue culpada en la falta de control de aleta.

En mayo del 2013, un X-51A Waverider alcanzó 4828 km/h (Mach 3.9) durante un vuelo de tres minutos bajo potencia scramjet. El Waverider fue botado a 50,000 pies (15,000 m) desde un bombardero B-52, y después acelerado a Mach 4.8 por un impulsor de cohete sólido el cual entonces se separó antes que el motor scramjet del Waverider viniera al efecto.

El 28 de agosto del 2016, la agencia espacial hindú ISRO condujeron una prueba exitosa de un motor scramjet en un cohete de dos etapas y combustible sólido. Motores scramjet gemelos fueron montados en la parte posterior de una segunda etapa de un cohete sonda de dos etapas de combustible solido llamado "Advanced Technology Vehicle (ATV)", el cual es el cohete sonda avanzado de ISRO. Los motores gemelos scramjet fueron encendidos durante la segunda etapa del cohete cuanto la ATV alcanzó una velocidad de 7350 km/h (Mach 6) a una altitud de 20 km. Los motores scramjet estuvieron encendidos por cerca de 5 segundos.

El 12 de junio del 2019, India exitosamente condujo una prueba de vuelo inaugural de su desarrollo domestico de avión de demostración scramjet no tripulado para vuelo de velocidad hipersonica desde la base de la Isla Abdul Kalam en la Bahía de Bengala a cerca de las 11:25 am. El avión es llamado el "Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle". El ensayo fue llevado a cabo por la "Defence Research and Development Organisation". El avión forma un componente importante del programa de desarrollo de un mísil de crucero hipersónico del país.

El 27 de septiembre del 2021, la DARPA anunció un vuelo exitoso de su mísil de crucero scramjet "Hypersonic Air-breathing Weapon Concept". Otro prueba exitosa fue llevada a cabo a mediados de marzo del 2022 en medio de la Invasión Rusa de Ucrania. Los detalles fueron mantenidos secretos para evitar la escalada de tensiones con Rusia, solo para ser revelados por un oficial no nombrado del Pentagono a principios de abril.

Los scramjets son diseñados para operar en el régimen de vuelo hipersónico, más allá del alcance de los motores turbojet, y, junto con los ramjets, llenan la brecha entre la alta eficiencia de los turbojets y la alta velocidad de los motores cohete. Los motores basados en turbomáquinas, mientras son altamente eficientes a velocidades subsónicas, llegan a ser ineficientes incrementalmente a velocidades transónicas, ya que los rotores del compresor encontrados en los motores turbojet requieren velocidades subsónicas para operar. Mientras el flujo desde velocidades transónicas a bajas supersónicas resulta en un tremendo incremento en temperatura y la perdida en la presión total del flujo. Al rededor de Mach 3 a 4, la turbomaquinaria ya no es útil, y la compresión estilo ram llega a ser el método preferido.

Los ramjets utilizan características de alta velocidad de aire a literalmente aire "ram" a través de un difusor de entrada en el combustor. A velocidades de vuelo transónicas y supersónicas, el aire de arriba a la entrada no es capaz de mover fuera del camino lo suficientemente rápido, y es comprimido en el difusor antes de ser difundido en el combustor. La combustión en un ramjet toma lugar a velocidades subsonicas, similar a los turbojets pero los productos de la combustión son entonces acelerados a través de una tobera convergente - divergente a velocidades supersónicas. Ya que no tienen medios mecánicos de compresión, los ramjets no pueden encender desde una parada, y generalmente no alcanzan suficiente compresión hasta el vuelo supersónico. La carencia de turbomaquinaria intrincada permite a los ramjets tratar con la subida de temperatura asociada con desacelerar un flujo supersónico a velocidades subsónicas. Sin embargo, ya que la velocidad sube, la energía interna del flujo después del difusor, crece rápidamente, así que la adición relativa de energía debido a la combustión de combustible llega a ser baja, llevando a la reducción en eficiencia del motor. Esto lleva a la reducción en empuje generado por los ramjets a altas velocidades.

Así, para genera empuje a muy altas velocidades, la subida de presión y temperatura del flujo de aire entrante debe ser estrechamente controlada. En particular, esto significa que la desaceleración del flujo de aire a velocidades subsónicas no se puede permitir. A tal disposición no solo mezclar el combustible con aire presenta un desafío ingenieril, pero también la velocidad de combustión en mezclas aire - combustible llega a tener relevancia. En adición el incremento relativo de energía interna en la cámara de combustión debe ser maximizada. Consecuentemente, la tecnología scramjet actual requiere el uso de combustibles de alta energía y esquemas de enfriamiento activo para mantener la operación sostenida, a menudo, utilizando hidrogeno y técnicas de enfriamiento regenerativo.

1. No tiene que llevar oxígeno.
2. Que no tenga partes rotatorias lo hace más fácil de fabricar.
3. Tiene un impulso específico más alto (cambio en el momento por unidad de propelente) que un motor de cohete, puede proporcionar entre 1000 y 4000 segundos, mientras que un cohete típico sólo proporciona 450 segundos o menos.
4. Mayor velocidad puede significar un acceso más barato al espacio exterior en el futuro.

1. Prueba y desarrollo difícil y caro
2. Requisito de propulsión inicial muy alto

A diferencia de un cohete que rápidamente pasa a vertical a través de la atmósfera o a un turborreactor o estatorreactor que vuela a mucho más bajas velocidades, un vehículo hipersónico alimentado por aire vuela óptimamente en una "trayectoria deprimida", quedando en la atmósfera a velocidades hipersónicas. Debido a que los scramjets sólo tienen relaciones de empuje / peso mediocres, la aceleración sería limitada. Por lo tanto, el tiempo en la atmósfera a velocidad hipersónica sería considerable, posiblemente 15 - 30 minutos. Igual que sucede en un vehículo espacial en reentrada, el aislamiento del calor sería una tarea formidable, con protección requerida para una mayor duración que aquella de una capsula espacial típica, aunque menor que el transbordador espacial.

Los nuevos materiales ofrecen un buen aislamiento a alta temperatura, pero, a menudo, se sacrifican en el proceso. Por ello, los estudios, a menudo, planean una "refrigeración activa", en la cual, el refrigerante circulante a través del forro del vehículo, lo previene de desintegrarse. A menudo, el refrigerante es el combustible en sí, tal como los cohetes modernos utilizan su propio combustible y oxidante como refrigerante de sus motores.

Todos los sistemas de refrigeración añaden peso y complejidad a un sistema de lanzamiento. El enfriamiento de los scramjets, de esta manera, puede resultar en una mayor eficiencia, cuando el calor es añadido al combustible antes que entre en el motor, pero resulta en incremento de complejidad y peso, el cual posteriormente puede sobrepasar cualquier ganancia de desempeño.

Impulso específico de distintos reactores

El rendimiento de un sistema de lanzamiento es complejo y depende en gran medida de su peso. Normalmente, los vehículos están diseñados para maximizar el alcance (${\displaystyle R}$), radio orbital (${\displaystyle R}$) o fracción de masa de carga útil (${\displaystyle \Gamma }$) para un motor y combustible determinados. Este es el resultado de las compensaciones entre la eficiencia del motor (Peso de combustible de despegue) y la complejidad del motor (Peso seco de despegue), que pueden ser expresados por la siguiente fórmula:

${\displaystyle \Pi _{e}+\Pi _{f}+{\frac {1}{\Gamma }}=1}$

Símbolo	Nombre	Descripción	Fórmula
${\displaystyle \Pi _{e}}$	fracción de masa en vacío	Representa el peso de la superestructura, tanques y el motor.	${\displaystyle \Pi _{e}={\frac {m_{\text{empty}}}{m_{\text{initial}}}}}$
${\displaystyle \Pi _{f}}$	fracción de masa de combustible	Representa el peso de combustible, oxidante y cualquier otro material que se consuma durante el lanzamiento.	${\displaystyle \Pi _{f}={\frac {m_{\text{fuel}}}{m_{\text{initial}}}}}$
${\displaystyle \Gamma }$	relación de masa inicial	Es la inversa de la fracción de masa de carga útil. Esto representa la cantidad de carga útil el vehículo puede entregar a un destino.	${\displaystyle \Gamma ={\frac {m_{\text{initial}}}{m_{\text{payload}}}}}$

Un scramjet aumenta la masa del motor (${\displaystyle \Pi _{e}}$) sobre un cohete, y disminuye la masa del combustible (${\displaystyle \Pi _{f}}$). Puede ser difícil decidir si esto resultará en un aumento de (${\displaystyle \Gamma }$) (lo que sería un aumento de carga útil entregada a un destino para un peso de despegue de vehículo constante). La lógica detrás de los esfuerzos de la conducción de un scramjet es (Por ejemplo) que la reducción de combustible disminuye la masa total en un 30%, mientras que el peso del motor aumentó añade 10% de la masa total del vehículo. Por desgracia, la incertidumbre en el cálculo de las masas o la eficiencia cambios en un vehículo es tan grande que un poco diferente hipótesis de eficiencia de los motores o de comunicación pueden proporcionar buenas razones a favor o en contra de alimentación scramjet los vehículos.

Además, el arrastre de la nueva configuración debe ser considerado. El arrastre de la configuración total puede ser considerado como la suma de la resistencia del vehículo (${\displaystyle D}$) y el arrastre del motor de instalación (${\displaystyle D_{e}}$). El arrastre de instalación tradicional los resultados de los pilones y el flujo acoplado debido a la motores a reacción, y es una función de la posición del acelerador.

Por lo tanto, muchas veces se escribe como:

${\displaystyle D_{e}=\phi _{e}F}$

Símbolo	Nombre
${\displaystyle \phi _{e}}$	coeficiente de pérdidas
${\displaystyle F}$	empuje del motor

Para un motor muy integradas en la aerodinámica cuerpo, puede ser más conveniente pensar en (${\displaystyle D_{e}}$) como la diferencia en la resistencia de un conocido base de configuración.

El general motor de la eficacia puede ser representada como una valor entre 0 y 1 (${\displaystyle \eta _{0}}$), en términos de el impulso específico del motor:

${\displaystyle \eta _{0}={\frac {g_{0}V_{0}}{h_{PR}}}I_{SP}={\frac {\mbox{potencia de empuje}}{\mbox{tasa de energía química}}}}$

Símbolo	Nombre
${\displaystyle g_{0}}$	aceleración de la gravedad en nivel del suelo
${\displaystyle V_{0}}$	velocidad del vehículo
${\displaystyle I_{SP}}$	impulso específico
${\displaystyle h_{PR}}$	calor de reacción del combustible

El impulso específico se utiliza a menudo como la unidad de la eficiencia para cohetes, ya que en el caso del cohete, hay un relación directa entre el impulso específico, [de combustible [específicas consumo (empuje) | consumo específico de combustible]] y velocidad de escape. Esta relación directa no es general impulso actual para los motores de airbreathing, y específicas para es menos utilizada en la literatura. Tenga en cuenta que para una airbreathing motor, tanto ${\displaystyle \eta _{0}}$ y ${\displaystyle I_{SP}}$ son una función de la velocidad.

El impulso específico 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 específico de un scramjet varía con la velocidad, reduciendo a velocidades más altas, a partir de unos Año 1200, aunque los valores en la literatura varían.

Para el caso simple de un vehículo de una sola etapa, el combustible fracción de masa se puede expresar como:

${\displaystyle \Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {\left({\frac {V_{initial}^{2}}{2}}-{\frac {V_{i}^{2}}{2}}\right)+\int {g}\,dr}{\eta _{0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}}{F}}\right)}}\right]}$

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

${\displaystyle \Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}r_{0}\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {r_{0}}{r}}\right)}{\eta _{0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}}{F}}\right)}}\right]}$

o de nivel de vuelo atmosférico a partir de aire lanzamiento ([Misiles []] de vuelo):

${\displaystyle \Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}R}{\eta _{0}h_{PR}\left(1-\phi _{e}\right){\frac {C_{L}}{C_{D}}}}}\right]}$

Cuando ${\displaystyle R}$ es la Rango, y el cálculo se puede expresar en la forma de la Breguet fórmula de gama:

${\displaystyle \Pi _{f}=1-e^{-BR}}$

${\displaystyle B={\frac {g_{0}}{\eta _{0}h_{PR}\left(1-\phi _{e}\right){\frac {C_{L}}{C_{D}}}}}}$

Símbolo	Nombre
${\displaystyle C_{L}}$	coeficiente de sustentación
${\displaystyle C_{D}}$	coeficiente de arrastre

Esta formulación es extremadamente simple, y se ha asumido:

• Vehículo de una sola etapa
• No hay sustentación aerodinámica para el levantador transatmosférico

Sin embargo lo anteriormente explicado es cierto en general para todos los motores.

Un scramjet no puede producir empuje eficiente a menos que se impulse a alta velocidad, alrededor de Mach 5, aunque dependiente de su diseño puede actuar como un ramjet a baja velocidad. Un avión de despegue vertical necesitará un turbofan, turbojet o motores cohetes convencionales para despegar, suficientemente grandes para mover una nave pesada. También, sería necesario combustible para esos motores, más todas las estructuras de montaje asociada al motor y sistemas de control. Los motores de turbofan y turbojet son pesados y no pueden exceder fácilmente alrededor de 2 a 3 Mach, así que otro método de propulsión sería necesario para alcanzar velocidad operativa de scramjet. Eso puede ser ramjets o cohetes. Eso también sería necesario su propio suministro de combustible separado, estructura y sistemas. Muchas propuestas en su lugar llaman para una primera etapa de impulsores de cohetes solidos desplegable, lo que grandemente simplifica el diseño.

A diferencia de las instalaciones de sistemas de propulsión de reactor o cohete, las cuales pueden ser probadas en el suelo, probar diseños de scramjets utilizan cámaras de pruebas hipersónicas muy caras o vehículos de lanzamiento caros, ambas de las cuales llevan a costos de instrumentación altos. Pruebas utilizando vehículos de prueba lanzados, usualmente, terminan con la destrucción del artículo de prueba e instrumentación.