El motor de cohete de aire en cuña ( abreviado KVRD , inglés aerospike engine, aerospike ) es un tipo de motor de cohete de propulsante líquido ( LRE ) con una boquilla en forma de cuña que mantiene la eficiencia aerodinámica en una amplia gama de altitudes sobre la superficie de la Tierra con diferentes presión atmosférica _ KVRD pertenece a la clase de motores de cohetes , cuyas toberas son capaces de cambiar la presión del chorro de gas que sale dependiendo del cambio en la presión atmosférica con el aumento de la altitud de vuelo. Un motor con este tipo de tobera consume entre un 25 y un 30 % menos de combustible a bajas altitudes, donde normalmente se requiere el mayor empuje . Los propulsores de cuña se han estudiado durante mucho tiempo como la principal opción para los sistemas espaciales de una sola etapa (OSS), es decir, los sistemas de cohetes que utilizan una sola etapa para llevar las cargas útiles a la órbita. Los motores de este tipo fueron un serio competidor para su uso como motores principales en el transbordador espacial durante su creación [k. 1] . Sin embargo, a partir de 2012, no se utiliza ni produce un solo motor de este tipo [1] . Las opciones más exitosas están en la etapa de desarrollo.
El propósito principal de cualquier tobera es dirigir efectivamente el flujo de gases de escape de un motor cohete en una dirección. El escape, una mezcla de gases a alta temperatura, tiene una distribución aleatoria de impulso en la cámara de combustión y, si se permite que salga de esta forma, solo una pequeña parte del flujo se dirigirá en la dirección correcta para crear empuje. La tobera en forma de campana del motor cohete limita el movimiento de gas a los lados, creando un área de presión aumentada con un área de presión reducida ubicada debajo, que normaliza el flujo en la dirección deseada. A través de un diseño cuidadoso, se logra un grado de expansión de la boquilla, lo que permite que el movimiento del chorro se convierta casi por completo en la dirección deseada detrás del motor, maximizando el empuje. El problema con el diseño de boquilla convencional es que la presión del aire exterior también contribuye a restringir el flujo de gas. A cualquier altura sobre la superficie de la Tierra con diferentes presiones atmosféricas , la boquilla se puede diseñar casi perfectamente, pero la misma forma será menos efectiva a diferentes alturas con diferentes presiones de aire. Así, a medida que un cohete propulsor asciende por la atmósfera, la eficiencia de sus motores, junto con su empuje, sufre cambios significativos que alcanzan el 30%. Por ejemplo, los motores RS-24 del transbordador espacial MTKK pueden generar empuje con una velocidad de chorro de gas de 4525 m/s en el vacío y 3630 m/s al nivel del mar. El diseño de la tobera del motor es una parte muy importante de la construcción de sistemas de cohetes.
En el diseño del motor de aire en cuña, el problema de la eficiencia a diferentes alturas se resuelve de la siguiente manera: en lugar de un único punto de escape en forma de un pequeño orificio en el centro de la boquilla, se usa una protuberancia en forma de cuña, alrededor del cual se instalan una serie de cámaras de combustión. La cuña forma un lado de la boquilla virtual, mientras que el otro lado está formado por el flujo de aire que pasa durante el vuelo. Esto explica su nombre original "aerospike engine" ( del inglés aerospike engine , "motor de cuña de aire").
La idea básica de este diseño es que, a baja altura, la presión atmosférica presiona los gases de escape contra la cuña que sobresale. La recirculación en la base de la cuña eleva la presión a la de la atmósfera circundante. En virtud de este diseño, el empuje no alcanza los valores máximos posibles, pero tampoco sufre una caída importante, que se produce en el fondo de la boquilla tradicional por vacío parcial. A medida que el vehículo alcanza una mayor altitud, la presión ambiental que retiene la corriente en chorro del motor disminuye, mientras que la presión cae en la parte superior del motor, lo que mantiene su eficiencia sin cambios. Además, a pesar de que la presión ambiental desciende casi a cero, la zona de recirculación mantiene la presión en la base de la cuña a valores comparables a la presión de la atmósfera cerca de la superficie terrestre, mientras que la parte superior de la cuña es prácticamente en el vacío Esto crea un empuje adicional al aumentar la altitud, compensando la caída de la presión ambiental. En general, el efecto es comparable a una boquilla tradicional, que tiene la capacidad de expandirse al aumentar la altura. En teoría, un motor de aire en cuña es algo menos eficiente que una boquilla tradicional diseñada para una altitud determinada y más eficiente que una boquilla tradicional diseñada para una altitud determinada.
La desventaja de este diseño es el gran peso del borde central y los requisitos adicionales de refrigeración debido a la mayor superficie expuesta al calor. Además, una gran área de superficie enfriada puede reducir los niveles teóricos de presión de la boquilla. Un factor negativo adicional es el rendimiento relativamente pobre de dicho sistema a velocidades de 1-3 M . En este caso, el flujo de aire detrás de la aeronave tiene una presión reducida, lo que reduce el empuje [2] .
Hay varias modificaciones de este diseño que difieren en su forma. En la "cuña toroidal", la parte central tiene la forma de un cono ahusado, a lo largo de cuyos bordes se produce una liberación concéntrica de gases reactivos. En teoría, este diseño requiere una arista central infinitamente larga para obtener el mejor rendimiento, pero el uso de la porción de escape en direcciones radiales laterales permite lograr resultados aceptables.
En el diseño de "cuña plana", la protuberancia central consta de una placa central, que se estrecha en el extremo, con dos corrientes de chorro que se extienden sobre las superficies exteriores de la placa. Esta opción se puede extender junto con la longitud de la cuña central. También en este caso, existe una posibilidad ampliada de control mediante un cambio en el empuje de cualquiera de los motores instalados en la línea.
En la década de 1960, Rocketdyne realizó pruebas exhaustivas con varias variantes. Las versiones posteriores de estos motores se basaron en el extremadamente confiable motor cohete J-2 (Rocketdyne) y proporcionaron aproximadamente el mismo nivel de empuje que los motores en los que se basaron podían proporcionar: el motor cohete J-2T-200k tenía un empuje de 90,8 tf (890 kN ) y el motor cohete J-2T-250k tenía un empuje de 112,2 tf (1,1 MN) (la letra "T" en el nombre del motor indica una cámara de combustión toroidal). Treinta años después, su trabajo se volvió a utilizar en el proyecto X-33 de la NASA . En este caso, se usó un motor cohete J-2S ligeramente modificado para una versión de panel plano del motor cohete, que se llamó XRS-2200 . Después de un mayor desarrollo y un programa de prueba, el proyecto se abandonó debido a problemas no resueltos con los tanques de combustible compuestos del X-33.
Durante el proyecto X-33, se construyeron tres motores XRS-2200, que pasaron el programa de prueba en el Centro Espacial. Stennis NASA. La prueba de un motor fue exitosa, pero el programa se detuvo antes de completar el banco de pruebas para el segundo motor. El XRS-2200 LRE a nivel del mar produce un empuje de 92,7 tf (909,3 kN) y tiene un impulso específico de 339 s, en el vacío el empuje es de 120,8 tf (1,2 MN), el impulso específico es de 436,5 s.
Se diseñó una versión más grande del XRS-2200, el motor cohete RS-2200 , para el avión espacial VentureStar ( Lockheed Martin ) de una sola etapa . En su última variante, siete RS-2200, cada uno con 245,8 tf (2,4 MN) de empuje, llevarían al VentureStar a una órbita de referencia baja . El desarrollo de este proyecto terminó formalmente a principios de 2001 cuando el programa X-33 no recibió fondos de la Iniciativa de lanzamiento espacial.". Lockheed Martin ha tomado la decisión de no seguir desarrollando VentureStar sin el apoyo financiero de la NASA.
Aunque la cancelación del programa X-33 supuso un paso atrás en el desarrollo de los motores de aire comprimido desierto, su historia no termina ahí, en . Estudiantes universitarios desarrollaron el cohete Prospector 2 utilizando un motor de empuje de 448,7 kgf (4,4 kN). Este trabajo en los motores de aire en cuña no se detiene: el 25 de junio de 2008 se probó el cohete Prospector 10 con un KVRD de 10 cámaras. [3] En marzo de 2004, se realizaron dos pruebas exitosas en el Centro de Investigación de Vuelo de la NASA. Dryden (Base Edwards , EE. UU.) con cohetes sólidos de pequeño tamaño con motores toroidales, que alcanzaban una velocidad de Mach 1,1 y una altitud de 7,5 km. Se están desarrollando y probando otros modelos de motores de cohetes de aire en cuña de tamaño pequeño.
En julio de 2014, Firefly Space Systems anunció que su nuevo vehículo de lanzamiento Firefly Alpha utilizaría un motor de aire comprimido en su primera etapa. Dado que este modelo está destinado al mercado de lanzamiento de satélites pequeños, el cohete lanzará satélites a la órbita terrestre baja a un costo de $ 8-9 millones por lanzamiento. Firefly Alpha está diseñado para poner en órbita 400 kg de carga útil. El diseño del cohete utiliza materiales compuestos, incluida la fibra de carbono. El motor de cuña de aire utilizado en el cohete tiene un empuje de 40,8 tf (400 kN) [4] [5] .
Pruebas de LRE lineal RS-2200
Motor Wedge-Air de la Universidad Estatal de California