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Scramjet

Scramjet
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X-43A experimental con un motor Scramjet en pleno vuelo de prueba
Scramjet . Un scramjet es una variante de un motor a reacción o estatorreactor en los que la combustión tiene lugar en el flujo de aire supersónico. Al igual que en ramjets, un scramjet basa en la velocidad máxima del vehículo para comprimir con fuerza y desacelerar el aire entrante antes de la combustión, pero mientras que un estatorreactor desacelera el aire a velocidades subsónicas antes de la combustión, el flujo de aire en un scramjet es supersónica en todo el motor.

Historia

Durante la Segunda Guerra Mundial, una enorme cantidad de tiempo y esfuerzo se pone en la investigación de jet y de alta velocidad de la aeronave propulsada por cohetes, sobre todo por los alemanes. Después de la guerra, los EE.UU. y el Reino Unido llevaron a varios científicos alemanes y tecnologías militares a través de la Operación Paperclip para empezar a poner más énfasis en su desarrollo de armas, incluyendo motores a reacción. El Bell X-1 alcanzó el vuelo supersónico en 1947 y, a principios de 1960, un rápido avance hacia aviones más rápido sugiere que aviones operativos estaría volando a velocidades "hipersónico" dentro de unos años. Excepto para los vehículos de investigación de cohetes especializados como la American nivel de X-15 y otras naves espaciales impulsado por cohetes, mejores velocidades de las aeronaves han permanecido Norte, generalmente en el intervalo de Mach 1 hasta Mach 3.

En los años 1950 y 1960 se construyeron una serie de motores scramjet experimentales y de tierra a prueba en los EE.UU. y el Reino Unido. En 1964, el Dr. Frederick S. Billig y el Dr. Gordon L. Dugger presentaron una solicitud de patente para un estatorreactor de combustión supersónica basado en Billigs Ph.D. tesis. Esta patente fue emitida en 1981 tras la supresión de una orden de secreto.

En 1981 se hicieron pruebas en Australia, bajo la dirección del Profesor Ray acosador en las instalaciones de prueba de tierra T3 de la ANU.

Exitosa primera prueba de vuelo de Scramjet se realizó por parte de Rusia en 1991 - era de revolución scramjet de modo dual a hidrógeno desarrollado por el Instituto Central de Aviación Motors, de Moscú a finales de 1970. El? Ight scramjet era? Unidad de apoyo ight propia cautividad llevar encima de la superficie del SA-5 con misiles aire que incluye un experimento? Conocido como el "Laboratorio Hypersonic Flying", "Kholod". Entonces 1992-1998 un adicional de 6 pruebas de vuelo de la simetría axial de alta velocidad scramjet-manifestante fueron realizadas por CIAM junto con Francia y luego con la NASA, EE.UU.. Máxima velocidad de vuelo superior a Mach 6.4 se logró y el funcionamiento Scramjet durante 77 segundos se demostró. Estas series de pruebas de vuelo también proporciona una idea de los controles de vuelo hipersónico autónomas.

Ningún vehículo motorizado scramjet todavía no se ha producido fuera de un programa experimental.

Descripción

El scramjet se compone de tres componentes básicos: una entrada convergente, donde se comprime el aire que entra y se desaceleró; una cámara de combustión, donde el combustible gaseoso se quema con el oxígeno atmosférico para producir calor, y una boquilla divergente, donde se acelera el aire calentado para producir empuje . A diferencia de un motor a reacción típica, tal como un motor de turborreactor o turboventilador, un scramjet no utiliza componentes giratorios, en forma de abanico para comprimir el aire, sino más bien, la velocidad alcanzable de la aeronave que se desplaza a través de la atmósfera hace que el aire a comprimir dentro de la entrada . Por lo tanto, no se necesitan piezas móviles en un scramjet. En comparación, los motores de turborreactor típicos requieren ventiladores de entrada, múltiples etapas de la rotación de ventiladores de compresores, y múltiples etapas de la turbina de rotación, todos los cuales añaden peso, complejidad, y un mayor número de puntos de fallo en el motor.

Debido a la naturaleza de su diseño, funcionamiento scramjet se limita a velocidades cercanas a hipersónicos. Como carecen de compresores mecánicos, scramjets requieren la alta energía cinética de un flujo hipersónico para comprimir el aire de entrada a las condiciones operativas. Por lo tanto, un vehículo scramjet potencia debe ser acelerado a la velocidad requerida por algunos otros medios de propulsión, tales como turborreactores, cañón de riel, o motores de cohetes. En el vuelo de la experimentación con motor scramjet Boeing X-51A, la nave de prueba se levantó a la altitud de vuelo de un Boeing B-52 Stratofortress antes de ser liberado y acelerado por un cohete desmontable a cerca de Mach 4,5. En mayo de 2013, otro vuelo logró un aumento de la velocidad de Mach 5.1.

Mientras scramjets son conceptualmente simple, la aplicación efectiva está limitada por dificultades técnicas extremas. Vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera inmensa arrastre, y temperaturas que se encuentran en la aeronave y en el motor puede ser mucho mayor que la del aire circundante. El mantenimiento de la combustión en el flujo supersónico presenta retos adicionales, como el combustible debe ser inyectado, mezclado, encendido y quemado en cuestión de milisegundos. Si bien la tecnología scramjet ha estado en desarrollo desde la década de 1950, sólo muy recientemente se han logrado con éxito scramjets vuelo propulsado.

Desarrollo

En la década de 2000, se realizaron progresos importantes en el desarrollo de la tecnología hipersónica, particularmente en el campo de los motores scramjet.

Los esfuerzos estadounidenses son probablemente la mejor financiada, y el equipo de Hyper-X afirmaron que el primer vuelo de un vehículo de motor scramjet empuje que producen con superficies plenas maniobras aerodinámicas en 2004 con el X-43A. Sin embargo, el primer grupo de demostrar un scramjet de trabajo en una prueba atmosférica fue un proyecto por un equipo conjunto británico y australiano de defensa del Reino Unido la empresa QinetiQ y la Universidad de Queensland.

El proyecto demostró HyShot combustión scramjet el 30 de julio de 2002 - El motor scramjet funcionó efectivamente y demostró combustión supersónica en acción. Sin embargo, el motor no fue diseñado para proporcionar el empuje para propulsar una nave. Fue diseñado más o menos como un demostrador de tecnología.

El viernes 15 de junio del 2007, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE.UU., en cooperación con la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa de Australia, anunció un vuelo scramjet éxito en Mach 10, usando motores de cohetes para impulsar el vehículo de prueba a velocidad hipersónica.

Una serie de pruebas en tierra scramjet se completaron en la NASA Langley Arc-climatizada Instalaciones de Pruebas Scramjet a Mach 8 simuladas las condiciones de vuelo. Estos experimentos se utilizaron para apoyar HiFIRE vuelo 2.

El 22 de mayo de 2009, Woomera acogió el primer vuelo de prueba con éxito de un avión hipersónico en HIFire. El lanzamiento fue uno de los 10 vuelos de prueba previstos. La serie de hasta 10 experimentos de vuelo hipersónico previstas forman parte de un programa de investigación conjunto entre la Defensa la Ciencia y la Tecnología y de la Fuerza Aérea de los EE.UU., designada como la experimentación Hypersonic Flight Research International. HIFiRE está investigando la tecnología hipersónica y su aplicación a avanzados scramjet potencia lanzaderas espaciales - el objetivo es apoyar el nuevo Boeing X-51 scramjet manifestante a la vez que la construcción de una sólida base de datos de ensayos en vuelo por el espacio de reacción rápida puesta en marcha y desarrollo hipersónico " armas rápido huelga ".

El 22 y 23 de marzo de 2010, los científicos de defensa australianas y estadounidenses probaron con éxito un misil hipersónico. Alcanzó una velocidad atmosférica de "más de 5.000 kilómetros por hora" después de despegar desde el Campo de Pruebas de Woomera en el interior de Australia del Sur.

El 27 de mayo de 2010, la NASA y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos volaron con éxito el Waverider X-51A de aproximadamente 200 segundos a Mach 5, estableciendo un nuevo récord de velocidad hipersónica mundo. El Waverider voló autónoma antes de perder aceleración por una razón desconocida y destruirse a sí misma como estaba previsto. La prueba fue declarado un éxito. El X-51A se realizó a bordo de un B-52, se aceleró hasta Mach 4.5 a través de un cohete propulsor sólido, y luego encendió el motor scramjet Rocketdyne Pratt y Whitney para alcanzar Mach 5 a 70 mil pies. Sin embargo, un segundo vuelo 13 de junio 2011 se finalizó antes de tiempo con el motor encendido brevemente en etileno, pero no pudo hacer la transición a su principal combustible JP7, no llegar a la máxima potencia.

El 16 de noviembre de 2010, los científicos australianos demostraron con éxito que el flujo de alta velocidad en un motor scramjet naturalmente no combustible puede ser encendido usando una fuente de láser pulsado.

Otra prueba de Waverider X-51A fallado el 15 de agosto de 2012 - El intento de volar el Scramjet, llevado por un B-52 durante un período prolongado a Mach 6 se vio interrumpida cuando, a sólo 15 segundos del vuelo no tripulado, el X- 51A nave perdió el control y rompió, cayendo en el océano Pacífico al noroeste de Los Angeles. La causa del fracaso fue atribuido a una aleta de control defectuosa.

En mayo de 2013 una tripulado X-51A WaveRider alcanzó "4.828 kmh" durante un vuelo de tres minuto en poder scramjet. El WaveRider fue caído en 50.000 pies de un bombardero B-52, y luego se aceleró hasta Mach 4.8 por un cohete propulsor sólido que se separó antes de motor scramjet del WaveRider entró en vigor.

Características

Scramjets están diseñados para operar en el régimen de vuelo hipersónico, más allá del alcance de los turborreactores, y, junto con ramjets, llenar la brecha entre la alta eficiencia de turborreactores y la alta velocidad de los motores de cohete. Motores basados en turbomaquinaria, si bien es muy eficiente a velocidades subsónicas, se convierten cada vez más ineficiente a velocidades transónicas, como los fans de compresores que se encuentran en los motores turborreactores requieren velocidades subsónicas para operar. Mientras que el flujo de transónico a bajas velocidades supersónicas puede ser decelerado a estas condiciones, hacerlo a velocidades supersónicas resultados en un enorme aumento de la temperatura y una pérdida en la presión total del flujo. Alrededor de Mach 3-4, turbomaquinaria ya no es útil, y la compresión de tipo ram se convierte en el método preferido.

Ramjets utilizan características de alta velocidad de aire a aire, literalmente, 'ram' a través de una boquilla de entrada a la cámara de combustión. En transónicos y supersónicos velocidades de vuelo, el aire aguas arriba de la tobera no es capaz de moverse fuera del camino con la suficiente rapidez, y se comprime dentro de la boquilla antes de ser difundido en la cámara de combustión. La combustión en un estatorreactor se lleva a cabo a velocidades subsónicas, similares a turborreactores, pero los productos de la combustión son acelerados a través de una tobera convergente-divergente a velocidades supersónicas. Como no tienen los medios mecánicos de compresión, ramjets no pueden empezar desde cero, y por lo general no alcanzan suficiente compresión hasta que el vuelo supersónico. La falta de turbomaquinaria intrincada permite ramjets para hacer frente al aumento de la temperatura asociada a decelerar un flujo supersónico a velocidades subsónicas, pero esto tiene sus límites: a velocidades casi supersónicas, el aumento de la temperatura y las ineficiencias desalientan desacelerando el flujo de la magnitud que se encuentra en motores estatorreactores.

Scramjet motores operan en los mismos principios que estatorreactores, pero no se desaceleran el flujo a velocidades subsónicas. Más bien, una cámara de combustión es supersónico scramjet: la entrada desacelera el flujo a un menor número de Mach para la combustión, después de lo cual se acelera a un aún mayor número de Mach a través de la boquilla. Al limitar la cantidad de desaceleración, las temperaturas dentro del motor se mantienen a un nivel tolerable, tanto desde el punto de vista material y comburente. Aun así, la tecnología scramjet actual requiere el uso de combustibles de alta energía y sistemas de refrigeración activos para mantener el funcionamiento sostenido, a menudo con ayuda de hidrógeno y técnicas de enfriamiento regenerativas.

Ventajas

En comparación con los motores de turborreactor típicos scramjet no requieren ventiladores de entrada, múltiples etapas de la rotación de ventiladores de compresores, y múltiples etapas de la turbina de rotación, todos los cuales añaden peso, complejidad, y un mayor número de puntos de fallo en el motor, además son más fáciles de fabricar. Por otra parte no necesita llevar oxígeno ya que éste es tomado de la atmosfera durante el vuelo. Mayor velocidad puede significar un acceso más barato al espacio exterior en el futuro.

Desventajas

Mientras scramjet son conceptualmente simple, la aplicación efectiva está limitada por dificultades técnicas extremas. Vuelo hipersónico dentro de la atmósfera genera inmensa arrastre, y temperaturas que se encuentran en la aeronave y en el motor puede ser mucho mayor que la del aire circundante. El mantenimiento de la combustión en el flujo supersónico presenta retos adicionales, como el combustible debe ser inyectado, mezclado, encendido y quemado en cuestión de milisegundos. Si bien la tecnología scramjet ha estado en desarrollo desde la década de 1950, sólo muy recientemente se han logrado con éxito scramjet vuelo propulsado.

Enlaces internos

NASA X - 43

Exploración espacial

Fuentes