Motor Aerospike

El motor aerospike es un tipo de motor de cohete que mantiene su eficiencia aerodinámica en un amplio rango de altitudes . ^{[ 1 ]} Pertenece a la clase de motores de tobera compensadora de altitud . ^{[ 2 ]} Los motores aerospike se propusieron para muchos diseños de una sola etapa a órbita (SSTO). Fueron candidatos para el motor principal del Transbordador Espacial . Sin embargo, a principios de 2026, ningún motor de este tipo se encontraba en producción comercial, aunque algunos aerospikes a gran escala estaban en fases de prueba. ^{[ 3 ]}

El término aerospike se utilizaba originalmente para referirse a una boquilla de tapón truncada con una conicidad cónica rugosa y cierta inyección de gas, que formaba una especie de "pico de aire" para compensar la ausencia de la cola del tapón. Sin embargo, una boquilla de tapón de longitud completa también puede denominarse aerospike.

La función de la tobera de un motor de cohete es dirigir los gases de escape en una dirección, generando empuje en la dirección opuesta. Estos gases, una mezcla de gases a alta temperatura, presentan una distribución de momento prácticamente aleatoria (es decir, empujan en cualquier dirección posible). Si se permite que los gases escapen de esta forma, solo una pequeña parte del flujo se moverá en la dirección correcta y, por lo tanto, contribuirá al empuje hacia adelante. La tobera redirige los gases que se mueven en la dirección incorrecta para que generen empuje en la dirección correcta. La presión atmosférica también ejerce una pequeña presión sobre los gases, lo que ayuda a mantenerlos en la dirección "correcta" al salir del motor. A medida que el vehículo asciende a través de la atmósfera, la presión atmosférica disminuye. Esto provoca que los gases de escape que generan empuje comiencen a expandirse fuera de la tobera. Dado que estos gases comienzan a viajar en la dirección "incorrecta" (es decir, hacia afuera del chorro principal de escape), la eficiencia del motor se reduce a medida que el cohete avanza, ya que estos gases que escapan ya no contribuyen al empuje del motor. Un motor de cohete aerospike busca eliminar esta pérdida de eficiencia. ^{[ 1 ]}

En lugar de expulsar los gases de escape por un pequeño orificio en el centro de una campana, un motor aerospike evita esta distribución aleatoria al expulsarlos a lo largo del borde exterior de una protuberancia en forma de cuña, la "punta", que cumple la misma función que una campana de motor tradicional. La punta forma un lado de una campana "virtual", mientras que el otro lado lo forma el aire exterior. ^{[ 1 ]}

La idea detrás del diseño del aerospike es que, a baja altitud, la presión ambiente comprime los gases de escape contra el aguijón. La recirculación de los gases de escape en la zona de la base del aguijón puede elevar la presión en esa zona hasta casi la ambiente. Dado que la presión delante del vehículo es la ambiente, esto significa que los gases de escape en la base del aguijón casi compensan la resistencia aerodinámica que experimenta el vehículo. No genera empuje total, pero esta parte de la tobera tampoco pierde empuje al formar un vacío parcial. El empuje en la base de la tobera puede ignorarse a baja altitud. ^{[ 1 ]}

A medida que el vehículo asciende a mayor altitud, la presión del aire que mantiene el escape contra la punta disminuye, al igual que la resistencia aerodinámica frente al vehículo. La zona de recirculación en la base de la punta mantiene la presión en esa zona a una fracción de 1 bar , superior al casi vacío frente al vehículo, lo que proporciona un empuje adicional a medida que aumenta la altitud. Esto funciona como un "compensador de altitud", ya que el tamaño de la campana se ajusta automáticamente a medida que disminuye la presión del aire. ^{[ 1 ]}

Las desventajas de los aerospikes parecen ser el peso adicional del espolón. Además, la mayor superficie refrigerada puede reducir el rendimiento por debajo de los niveles teóricos al disminuir la presión contra la tobera. Los aerospikes funcionan relativamente mal entre Mach 1 y 3, donde el flujo de aire alrededor del vehículo ha reducido la presión, disminuyendo así el empuje. ^{[ 4 ]}

Rocketdyne realizó una larga serie de pruebas en la década de 1960 con diversos diseños. Los modelos posteriores de estos motores se basaron en su maquinaria de motor J-2, altamente confiable , y proporcionaron niveles de empuje similares a los de los motores convencionales en los que se basaban: 200 000 lbf (890 kN ) en el J-2T-200k y 250 000 lbf (1,1 MN) en el J-2T-250k (la T se refiere a la cámara de combustión toroidal). Treinta años después, su trabajo se retomó para su uso en el proyecto X-33 de la NASA . En este caso, se utilizó la maquinaria del motor J-2S, ligeramente mejorada, con un impulsor lineal, creando el XRS-2200 . Tras un mayor desarrollo y numerosas pruebas, este proyecto se canceló cuando los tanques de combustible compuestos del X-33 fallaron repetidamente.

Se construyeron tres motores XRS-2200 durante el programa X-33 y se sometieron a pruebas en el Centro Espacial Stennis de la NASA . Las pruebas con un solo motor fueron un éxito, pero el programa se detuvo antes de que se pudieran completar las pruebas con dos motores. El XRS-2200 produce un empuje de 204 420 lbf (909 300 N) con un I _sp de 339 segundos a nivel del mar, y un empuje de 266 230 lbf (1 184 300 N) con un I _sp de 436,5 segundos en el vacío.    

El motor aerodinámico lineal RS-2200 ^{[ 5 ]} se derivó del XRS-2200. El RS-2200 estaba destinado a impulsar el vehículo VentureStar de una sola etapa a órbita . En el diseño más reciente, siete motores RS-2200, cada uno con una fuerza de 542 000 libras (2410 kN) , impulsarían el VentureStar a la órbita terrestre baja. El desarrollo del RS-2200 se detuvo formalmente a principios de 2001 cuando el programa X-33 no recibió financiación de la Iniciativa de Lanzamiento Espacial . Lockheed Martin optó por no continuar el programa VentureStar sin ningún tipo de apoyo financiero de la NASA. Un motor de este tipo se exhibe al aire libre en los terrenos del Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama. 

La cancelación del Lockheed Martin X-33 por parte del gobierno federal en 2001 redujo la disponibilidad de fondos, pero los motores aerospike siguen siendo un área de investigación activa. Por ejemplo, se logró un hito cuando un equipo conjunto académico/industrial de la Universidad Estatal de California, Long Beach (CSULB) y Garvey Spacecraft Corporation realizó con éxito una prueba de vuelo de un motor aerospike propulsado por combustible líquido en el desierto de Mojave el 20 de septiembre de 2003. Los estudiantes de CSULB habían desarrollado su cohete Prospector 2 (P-2) utilizando un motor aerospike de LOX/etanol de 1000 lb _f (4,4 kN). Este trabajo en motores aerospike continúa; el Prospector-10, un motor aerospike de diez cámaras, fue probado el 25 de junio de 2008. ^{[ 6 ]}

En marzo de 2004 se lograron nuevos avances con dos pruebas exitosas patrocinadas por el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA , utilizando cohetes de alta potencia fabricados por Blacksky Corporation , con sede en Carlsbad, California . Las toberas aerodinámicas y los motores de cohete de combustible sólido fueron desarrollados y construidos por la división de motores de cohete de Cesaroni Technology Incorporated , al norte de Toronto, Ontario. Los dos cohetes funcionaban con combustible sólido y estaban equipados con toberas aerodinámicas toroidales no truncadas. Lanzado en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del Condado de Pecos, en Fort Stockton, Texas, los cohetes alcanzaron apogeos de 7900 m y velocidades de aproximadamente Mach 1,5.  

Los miembros de la Reaction Research Society han estado desarrollando motores aerospike a pequeña escala utilizando una configuración de propulsor de cohete híbrido .

En 2020, la TU Dresden y el Fraunhofer IWS iniciaron su proyecto CFDμSAT para la investigación de motores aeroespaciales fabricados mediante manufactura aditiva. Ya se ha probado un prototipo en una celda de prueba en el Instituto de Ingeniería Aeroespacial de la TU Dresden, logrando un tiempo de combustión de 30 segundos. ^{[ 7 ]}

• Boquilla expansible
• LASRE – Experimento Aerospike Lineal SR-71 1997/8 NASA para X-33 
• Rotary Rocket – Empresa estadounidense de cohetería 
• Sabre : Propuesta de motor híbrido de estatorreactor y cohete. 
• Boquilla de deflexión de expansión

• Motor Aerospike
• Se planean motores avanzados para los propulsores Saturno y Nova mejorados , incluido el J-2T.
• Motor aerospike lineal: propulsión para el vehículo X-33.
• Centro de Investigación de Vuelo Dryden. Archivado el 25 de febrero de 2010 en Wayback Machine.
• Características y rendimiento del sistema de control del motor Aerospike
• Control de actitud del X-33 mediante el motor aerospike lineal XRS-2200.
• Bui, Trong; Murray, James; Rogers, Charles; Bartel, Scott; Cesaroni, Anthony; Dennett, Mike (2005). "Investigación de vuelo de una tobera aerospike utilizando cohetes sólidos de alta potencia". 41.ª Conferencia y Exposición Conjunta de Propulsión AIAA/ASME/SAE/ASEE . doi : 10.2514/6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5.
• ¿Son los Aerospikes mejores que las boquillas de campana?