¿Qué pasaría si el futuro de los viajes espaciales se pareciera menos al Starship basado en cohetes de SpaceX y más al “Hyper-X” de la NASA, el avión hipersónico que, hace 20 años este año, voló más rápido que cualquier otra aeronave anterior o posterior?
En 2004, las pruebas finales del prototipo no tripulado X-43A de la NASA fueron un hito en la última era del desarrollo de los aviones a reacción: el salto de los ramjets a los scramjets, más rápidos y eficientes. La última prueba, en noviembre de ese año, marcó una velocidad récord mundial que solo un cohete había podido alcanzar anteriormente: Mach 10. La velocidad equivale a 10 veces la velocidad del sonido.
La NASA recopiló muchos datos útiles de las pruebas, al igual que la Fuerza Aérea seis años después en pruebas similares en el X-51 Waverider, antes de que los prototipos se precipitaran al océano.
Aunque la prueba de concepto hipersónica fue exitosa, la tecnología estaba lejos de ser operativa. El desafío era lograr el control del motor, porque la tecnología se basaba en enfoques de sensores que tenían décadas de antigüedad.
Sin embargo, este mes trajo algo de esperanza para los posibles sucesores de la serie X-plane.
Como parte de un nuevo estudio financiado por la NASA, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia publicaron datos en la edición de junio de la revista Aerospace Science and Technology que demostró por primera vez que el flujo de aire en los motores a reacción de combustión supersónica se puede controlar mediante un sensor óptico. El hallazgo podría conducir a una estabilización más eficiente de los aviones a reacción hipersónicos.
Además, los investigadores lograron un control adaptativo de un motor scramjet, representando otro primicia para la propulsión hipersónica. Los sistemas de control adaptativo del motor responden a los cambios en la dinámica para mantener el rendimiento general del sistema óptimo.
“Una de nuestras prioridades nacionales aeroespaciales desde la década de 1960 ha sido construir aviones de un solo escenario a órbita que vuelen al espacio desde un despegue horizontal como un avión tradicional y aterricen en tierra como un avión tradicional”, dijo el profesor Christopher Goyne, director del Laboratorio de Investigación Aeroespacial de la UVA, donde se llevó a cabo la investigación.
“Actualmente, la nave espacial más moderna es la SpaceX Starship. Tiene dos etapas, con lanzamiento y aterrizaje vertical. Pero para optimizar la seguridad, la comodidad y la reutilización, la comunidad aeroespacial quiere construir algo más parecido a un 737”.
Goyne y su co-investigadora, Chloe Dedic, profesora asociada de ingeniería de la UVA, creen que los sensores ópticos podrían ser una gran parte de la ecuación de control.
“Nos pareció lógico que si una aeronave opera a velocidades hipersónicas de Mach 5 o más, sería preferible integrar sensores que funcionen más cerca de la velocidad de la luz que de la velocidad del sonido”, dijo Goyne.
Otros miembros del equipo fueron el estudiante de doctorado Max Chern, quien actuó como primer autor del artículo, así como el ex estudiante de posgrado Andrew Wanchek, el estudiante de doctorado Laurie Elkowitz y el científico senior de la UVA Robert Rockwell. El trabajo fue financiado por una subvención ULI de la NASA dirigida por la Universidad de Purdue.
Detener el “paro” para mantener el control
La NASA ha buscado durante mucho tiempo evitar algo que puede ocurrir en los motores scramjet llamado “paro”. El término indica un cambio repentino en el flujo de aire. El nombre deriva de una instalación de prueba especializada llamada túnel de viento supersónico, donde un “inicio” significa que el viento ha alcanzado las condiciones supersónicas deseadas.
La UVA tiene varios túneles de viento supersónicos, incluida la Instalación de Combustión Supersónica de la UVA, que puede simular las condiciones del motor para un vehículo hipersónico que viaja a cinco veces la velocidad del sonido.
“Podemos realizar pruebas durante horas, lo que nos permite experimentar con nuevos sensores de flujo y enfoques de control en una geometría de motor realista”, dijo Dedic.
Goyne explicó que los “scramjets”, abreviatura de ramjets de combustión supersónica, se basan en la tecnología ramjet que se ha utilizado comúnmente durante años.
Los ramjets esencialmente “embesten” aire en el motor utilizando el movimiento hacia adelante de la aeronave para generar las temperaturas y presiones necesarias para quemar combustible. Operan en un rango de aproximadamente Mach 3 a Mach 6. A medida que la entrada en la parte delantera de la nave se estrecha, la velocidad interna del aire disminuye a velocidades subsónicas en un motor de combustión ramjet. Sin embargo, el avión en sí no lo hace.
Los scramjets son un poco diferentes, sin embargo. Si bien también son “respiradores de aire” y tienen la misma configuración básica, necesitan mantener ese flujo de aire súper rápido a través del motor para alcanzar velocidades hipersónicas.
“Si sucede algo dentro del motor hipersónico y se producen repentinamente condiciones subsónicas, es un paro”, dijo Goyne. “El empuje disminuirá repentinamente y en ese momento puede ser difícil reiniciar la entrada”.
Prueba de un motor scramjet de modo dual
Actualmente, al igual que los ramjets, los motores scramjet necesitan un paso para llevarlos a una velocidad en la que puedan absorber suficiente oxígeno para funcionar. Eso puede incluir un viaje conectado a la parte inferior de un avión de transporte, así como un impulso de cohetes.
La última innovación es un combustor scramjet de modo dual, que fue el tipo de motor que probó el proyecto dirigido por la UVA. El motor dual comienza en modo ramjet a números Mach más bajos, luego pasa a recibir flujo de aire supersónico completo en la cámara de combustión a velocidades que superan Mach 5.
Prevenir el paro a medida que el motor realiza esa transición es crucial.
El viento entrante interactúa con las paredes de la entrada en forma de una serie de ondas de choque conocidas como “tren de ondas de choque”. Tradicionalmente, el borde delantero de esas ondas, que pueden ser destructivas para la integridad de la aeronave, se han controlado mediante sensores de presión. La máquina puede ajustarse, por ejemplo, reubicando la posición del tren de ondas de choque.
Pero la ubicación del borde delantero del tren de ondas de choque puede cambiar rápidamente si las perturbaciones de vuelo alteran la dinámica en pleno vuelo. El tren de ondas de choque puede presurizar la entrada, creando las condiciones para un paro.
Entonces, “Si está detectando a la velocidad del sonido, pero los procesos del motor se mueven más rápido que la velocidad del sonido, no tiene mucho tiempo de respuesta”, dijo Goyne.
Él y sus colaboradores se preguntaron si se podría predecir un paro inminente observando las propiedades de la llama del motor.
Detectando el espectro de una llama
El equipo decidió utilizar un sensor de espectroscopia de emisión óptica para la retroalimentación necesaria para controlar el borde delantero del tren de ondas de choque.
Ya no limitado a la información obtenida en las paredes del motor, como lo hacen los sensores de presión, el sensor óptico puede identificar cambios sutiles tanto dentro del motor como dentro de la trayectoria del flujo. La herramienta analiza la cantidad de luz emitida por una fuente, en este caso, los gases que reaccionan dentro del combustor scramjet, así como otros factores, such as the location and spectral content of the flame.
“La luz emitida por la llama dentro del motor se debe a la relajación de especies moleculares que se excitan durante los procesos de combustión”, explicó Elkowitz, uno de los estudiantes de doctorado. “Las diferentes especies emiten luz a diferentes energías, o colores, ofreciendo nueva información sobre el estado del motor que no es capturada por los sensores de presión”.
La demostración del equipo en el túnel de viento mostró que el control del motor puede ser tanto predictivo como adaptativo, pasando suavemente entre el funcionamiento scramjet y ramjet.
La prueba del túnel de viento, de hecho, fue la primera prueba del mundo de que el control adaptativo en este tipo de motores de doble función se puede lograr con sensores ópticos.
“Estuvimos muy emocionados de demostrar el papel que pueden desempeñar los sensores ópticos en el control de los futuros vehículos hipersónicos”, dijo el primer autor Chern. “Seguimos probando las configuraciones de los sensores a medida que trabajamos hacia un prototipo que optimice el volumen del paquete y el peso para los entornos de vuelo”.
Construyendo hacia el futuro
Si bien queda mucho trabajo por hacer, los sensores ópticos pueden ser un componente del futuro que Goyne cree que se hará realidad en su vida: viajes espaciales en avión ida y vuelta.
Los scramjets de modo dual aún requerirían un impulso de algún tipo para llevar la aeronave al menos a Mach 4. Pero habría la seguridad adicional de no depender exclusivamente de la tecnología de cohetes, que requiere que se transporte combustible altamente inflamable junto con grandes cantidades de oxidante químico para quemar el combustible.
Esa reducción de peso permitiría más espacio para los pasajeros y la carga útil.
Tal aeronave todo en uno, que se deslizaría de regreso a la Tierra como lo hacían los transbordadores espaciales, incluso podría proporcionar la combinación ideal de rentabilidad, seguridad y reutilización.
“Creo que es posible, sí”, dijo Goyne. “Si bien la industria espacial comercial ha podido reducir los costos a través de cierta reutilización, aún no han capturado las operaciones tipo avión. Nuestros hallazgos podrían potencialmente basarse en la historia del Hyper-X y hacer que su acceso al espacio sea más seguro que la actual tecnología basada en cohetes”.
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Método de investigación
Estudio experimental
Asunto de investigación
No aplicable
Título del artículo
Ciencia y Tecnología Aeroespacial
Fecha de publicación del artículo
1-jun-2024
