Ramjet

En la Unión Soviética, Boris Stechkin presentó en 1928 una teoría sobre motores estatorreactores supersónicos . Yuri Pobedonostsev, jefe de la 3.ª Brigada del GIRD , llevó a cabo la investigación. El primer motor, el GIRD-04, fue diseñado por I.A. Merkulov y probado en abril de 1933. Para simular el vuelo supersónico, se alimentaba con aire comprimido a 200 bares y se alimentaba con hidrógeno. El estatorreactor GIRD-08, alimentado con fósforo, se probó disparándolo desde un cañón de artillería. Estos proyectiles podrían haber sido los primeros proyectiles a reacción en superar la velocidad del sonido .

En 1939, Merkulov realizó más pruebas de estatorreactores utilizando un cohete de dos etapas , el R-3. Desarrolló el primer motor estatorreactor para su uso como motor auxiliar de una aeronave, el DM-1. El primer vuelo de un avión propulsado por un estatorreactor tuvo lugar en diciembre de 1940, utilizando dos motores DM-2 en un Polikarpov I-15 modificado . Merkulov diseñó un caza estatorreactor, el "Samolet D", en 1941, que nunca se completó. Dos de sus motores DM-4 se instalaron en el caza Yak-7 PVRD durante la Segunda Guerra Mundial. En 1940, se diseñó el avión experimental Kostikov-302, propulsado por un cohete de combustible líquido para el despegue y motores estatorreactores para el vuelo. Ese proyecto fue cancelado en 1944.

En 1947, Mstislav Keldysh propuso un bombardero antipodal de largo alcance , similar al bombardero Sänger-Bredt , pero propulsado por un estatorreactor en lugar de un cohete. En 1954, NPO Lavochkin y el Instituto Keldysh iniciaron el desarrollo del misil de crucero Burya , propulsado por un estatorreactor y capaz de alcanzar Mach 3. Este proyecto compitió con el misil balístico intercontinental R-7 desarrollado por Sergei Korolev , pero fue cancelado en 1957.

Varios estatorreactores fueron diseñados, construidos y probados en tierra en las instalaciones de Kawasaki Aircraft Company en Gifu durante la Segunda Guerra Mundial. En diciembre de 1945, los funcionarios de la compañía afirmaron que estas iniciativas nacionales no estuvieron influenciadas por desarrollos alemanes paralelos. Una evaluación de inteligencia estadounidense de posguerra describió el dispersor centrífugo de combustible del estatorreactor Kawasaki como el "logro más destacado de la compañía... eliminando gran parte del sistema de inyección de combustible empleado normalmente". ^{[ 10 ]} Debido a la vibración excesiva, el motor solo estaba destinado a ser utilizado en aviones no tripulados lanzados por cohete o catapulta. Los preparativos para las pruebas de vuelo terminaron con la rendición de Japón en agosto de 1945 .

En 1936, Hellmuth Walter construyó un motor de prueba alimentado por gas natural . Se realizaron trabajos teóricos en BMW , Junkers y DFL . En 1941, Eugen Sänger de DFL propuso un motor estatorreactor con una cámara de combustión de alta temperatura. Construyó grandes tubos de estatorreactor con diámetros de 500 milímetros (20 pulgadas) y 1000 milímetros (39 pulgadas) y realizó pruebas de combustión en camiones y en un banco de pruebas especial en un Dornier Do 17 Z a velocidades de vuelo de hasta 200 metros por segundo (720 km/h) . Posteriormente, debido a la escasez de gasolina en Alemania, se realizaron pruebas con bloques de polvo de carbón prensado como combustible (véase, por ejemplo, Lippisch P.13a ), que no tuvieron éxito debido a la combustión lenta. ^{[ 11 ]}   

Stovepipe (volador/flameante/supersónico) fue un nombre popular para el estatorreactor durante la década de 1950 en revistas especializadas como Aviation Week & Space Technology ^{[ 12 ]} y otras publicaciones como The Cornell Engineer. ^{[ 13 ]} La simplicidad implícita en el nombre provenía de una comparación con el motor turborreactor , que emplea turbomáquinas giratorias relativamente complejas y costosas.

La Armada de los Estados Unidos desarrolló una serie de misiles aire-aire denominados " Gorgon ", utilizando diferentes mecanismos de propulsión, incluyendo un estatorreactor en el Gorgon IV. Los Gorgon IV con estatorreactor, fabricados por Glenn Martin , fueron probados en 1948 y 1949 en la Estación Aeronaval de Point Mugu . El estatorreactor fue diseñado en la Universidad del Sur de California y fabricado por la Marquardt Aircraft Company . El motor medía 2,1 metros de largo y 510 milímetros de diámetro, y estaba ubicado debajo del misil.  

A principios de la década de 1950, Estados Unidos desarrolló un estatorreactor capaz de alcanzar Mach 4+ dentro del programa Lockheed X-7 . Este dio origen al Lockheed AQM-60 Kingfisher . Posteriormente, se desarrolló el dron espía Lockheed D-21 .

A finales de la década de 1950, la Armada de los Estados Unidos introdujo un sistema llamado RIM-8 Talos , un misil tierra-aire de largo alcance lanzado desde buques. Derribó con éxito cazas enemigos durante la Guerra de Vietnam y fue el primer misil lanzado desde un buque en destruir una aeronave enemiga en combate. El 23 de mayo de 1968, un Talos disparado desde el USS Long Beach derribó un MiG vietnamita a una distancia de aproximadamente 105 kilómetros (65 millas) . También se utilizó como arma tierra-tierra y se modificó para destruir radares terrestres. ^{[ 14 ]}

Utilizando la tecnología probada del AQM-60, a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, Estados Unidos desarrolló un sistema de defensa de amplio alcance llamado CIM-10 Bomarc , equipado con cientos de misiles estatorreactores con ojivas nucleares y un alcance de varios cientos de kilómetros. Estaba propulsado por los mismos motores que el AQM-60, pero con materiales mejorados para soportar tiempos de vuelo más prolongados. El sistema fue retirado en la década de 1970 al disminuir la amenaza de los bombarderos.

A finales de la década de 1950, durante la década de 1960 y principios de la de 1970, el Reino Unido desarrolló varios misiles con estatorreactor.

El proyecto Blue Envoy tenía como objetivo dotar al país de un sistema de defensa aérea de largo alcance propulsado por estatorreactores contra bombarderos, pero el sistema fue cancelado. Fue reemplazado por un sistema de misiles estatorreactores de menor alcance llamado Bloodhound . Este sistema fue diseñado como una segunda línea de defensa en caso de que los atacantes lograran sortear la flota de cazas English Electric Lightning .

En la década de 1960, la Marina Real Británica desarrolló y desplegó un misil tierra-aire propulsado por estatorreactor para buques llamado Sea Dart . Tenía un alcance de 65 a 130 kilómetros (40 a 80 millas) y una velocidad de Mach 3. Fue utilizado con éxito en combate contra diversos tipos de aeronaves durante la Guerra de las Malvinas . 

El difusor convierte la alta velocidad del aire que se aproxima a la entrada en alta presión (estática) necesaria para la combustión. Las altas presiones de combustión minimizan el aumento de entropía durante la adición de calor, ^{[ 19 ]} minimizando así la energía térmica desperdiciada en los gases de escape ^{[ 20 ].}

Los estatorreactores subsónicos y supersónicos bajos utilizan una abertura tipo Pitot para la entrada de aire. A continuación, se encuentra un conducto interno que se ensancha (difusor subsónico) para lograr la velocidad subsónica reducida necesaria en la cámara de combustión. A bajas velocidades supersónicas, se forma una onda de choque normal (plana) frente a la entrada de aire.

Para velocidades supersónicas más elevadas, la pérdida de presión a través de la onda de choque se vuelve prohibitiva, por lo que se utiliza una punta o cono sobresaliente para generar ondas de choque oblicuas delante de una onda de choque normal final que se produce en el borde de entrada. En este caso, el difusor consta de dos partes: el difusor supersónico, con ondas de choque externas a la entrada, seguido del difusor subsónico interno.

A velocidades aún mayores, parte de la difusión supersónica debe producirse internamente, lo que requiere ondas de choque oblicuas externas e internas. La onda de choque normal final debe generarse en las proximidades de una zona de flujo mínima conocida como garganta, seguida por el difusor subsónico.

Al igual que en otros motores a reacción, la cámara de combustión eleva la temperatura del aire mediante la quema de combustible. Esto se produce con una pequeña pérdida de presión. La velocidad del aire que entra en la cámara de combustión debe ser lo suficientemente baja como para que la combustión continua pueda tener lugar en las zonas protegidas que proporcionan los estabilizadores de llama .

Un combustor de estatorreactor puede operar de forma segura con relaciones estequiométricas de combustible y aire. Esto implica una temperatura de estancamiento a la salida del combustor del orden de 2400 K (2130 °C; 3860 °F) para el queroseno . Normalmente, el combustor debe ser capaz de operar en un amplio rango de ajustes del acelerador, adaptándose a las velocidades y altitudes de vuelo. Por lo general, una región piloto protegida permite que la combustión continúe cuando la entrada del vehículo experimenta un alto cabeceo/guiñada durante los giros. Otras técnicas de estabilización de la llama utilizan estabilizadores de llama, que varían en diseño desde cámaras de combustión hasta placas planas, para proteger la llama y mejorar la mezcla de combustible. El exceso de combustible en el combustor puede provocar que la onda de choque final (normal) en el difusor se desplace hacia adelante más allá del borde de entrada, lo que resulta en una caída sustancial del flujo de aire y del empuje.   

La tobera de propulsión es una parte fundamental del diseño de un estatorreactor, ya que acelera el flujo de escape para producir empuje.

Los estatorreactores subsónicos aceleran el flujo de escape con una tobera . El vuelo supersónico normalmente requiere una tobera convergente-divergente .

Aunque los estatorreactores han funcionado a velocidades tan bajas como 45 metros por segundo (160 km/h; 100 mph) , ^{[ 21 ]} por debajo de aproximadamente Mach 0,5 (170 m/s; 610 km/h; 380 mph) proporcionan poco empuje y son muy ineficientes debido a sus bajas relaciones de presión.      

Por encima de esta velocidad, con una velocidad de vuelo inicial suficiente, un estatorreactor es autosostenible. A menos que la resistencia aerodinámica del vehículo sea extremadamente alta, la combinación motor/estructura tiende a acelerar a velocidades de vuelo cada vez mayores, aumentando considerablemente la temperatura del aire de admisión. Dado que esto podría dañar la integridad del motor y/o la estructura, el sistema de control de combustible debe reducir el flujo de combustible para estabilizar la velocidad y, por lo tanto, la temperatura del aire de admisión.

Debido a la temperatura de combustión estequiométrica, la eficiencia suele ser buena a altas velocidades (alrededor de Mach 2 – Mach 3, 680–1000 m/s, 2500–3700 km/h, 1500–2300 mph ), mientras que a bajas velocidades la presión relativamente baja hace que los estatorreactores sean superados por los turborreactores y los cohetes .      

En un estatorreactor de combustible líquido (LFRJ), el combustible de hidrocarburos (normalmente) se inyecta en la cámara de combustión antes de un estabilizador de llama. El estabilizador de llama estabiliza la llama con el aire comprimido procedente de la(s) entrada(s). Se requiere un sistema para presurizar y suministrar el combustible a la cámara de combustión, lo cual puede resultar complejo y costoso. Este sistema de propulsión fue perfeccionado por primera vez por Yvonne Brill durante su trabajo en Marquardt Corporation . ^{[ 23 ]}

Aérospatiale-Celerg diseñó un LFRJ en el que el combustible se introduce en los inyectores mediante una vejiga de elastómero que se infla progresivamente a lo largo del depósito de combustible. Inicialmente, la vejiga forma una funda ajustada alrededor de la botella de aire comprimido desde la que se infla, la cual está montada longitudinalmente en el depósito. ^{[ 24 ]} Esto ofrece una solución de menor coste que un LFRJ regulado que requiere un sistema de bombeo para suministrar el combustible. ^{[ 25 ]}

Un estatorreactor no genera empuje estático y necesita un propulsor auxiliar para alcanzar una velocidad de avance lo suficientemente alta para el funcionamiento eficiente del sistema de admisión. Los primeros misiles propulsados ​​por estatorreactores utilizaban propulsores externos, generalmente cohetes de combustible sólido, ya sea en tándem, donde el propulsor se monta inmediatamente detrás del estatorreactor (por ejemplo, el Sea Dart) , o envolventes, donde se acoplan varios propulsores alrededor del estatorreactor (por ejemplo, el 2K11 Krug) . La elección de la disposición de los propulsores suele estar determinada por el tamaño de la plataforma de lanzamiento. Un propulsor en tándem aumenta la longitud del sistema, mientras que los propulsores envolventes aumentan el diámetro. Los propulsores envolventes suelen generar mayor resistencia aerodinámica que una disposición en tándem.

Los propulsores integrados ofrecen una opción de empaquetado más eficiente, ya que el propulsor del propulsor se vierte dentro de la cámara de combustión, que de otro modo estaría vacía. Este enfoque se ha utilizado en diseños de estatorreactores de combustible sólido (SFRJ), por ejemplo, el 2K12 Kub , de combustible líquido, por ejemplo, el ASMP , y en cohetes con conducto, por ejemplo , el Meteor . Los diseños integrados se complican por los diferentes requisitos de la tobera para las fases de propulsión y estatorreactor. Debido a los mayores niveles de empuje del propulsor, se requiere una tobera de forma diferente para un empuje óptimo en comparación con la requerida para el estatorreactor de menor empuje. Esto generalmente se logra mediante una tobera separada, que se expulsa después del agotamiento del propulsor. Sin embargo, diseños como el Meteor presentan propulsores sin tobera. Esto ofrece las ventajas de eliminar el peligro para la aeronave de lanzamiento por los restos del propulsor, simplicidad, fiabilidad y reducción de masa y coste, ^{[ 26 ]} aunque esto debe sopesarse con la reducción en el rendimiento de una tobera de propulsión dedicada.

Una ligera variación del estatorreactor utiliza los gases de escape supersónicos de la combustión de un cohete para comprimirlos y hacer que reaccionen con el aire que entra en la cámara de combustión principal. Esto tiene la ventaja de generar empuje incluso a velocidad cero.

En un estatorreactor de combustible sólido integrado (SFIRR), el combustible sólido se deposita a lo largo de la pared exterior del ramcombustor. En este caso, la inyección de combustible se realiza mediante la ablación del propulsor por el aire caliente comprimido proveniente de la(s) toma(s) de aire. Se puede utilizar un mezclador posterior para mejorar la eficiencia de la combustión . Los SFIRR se prefieren a los LFRJ para algunas aplicaciones debido a la simplicidad del suministro de combustible, pero solo cuando los requisitos de regulación son mínimos, es decir, cuando las variaciones de altitud o velocidad son limitadas.

En un cohete con conducto, un generador de gas de combustible sólido produce un gas caliente rico en combustible que se quema en el ramcombustor con el aire comprimido suministrado por las tomas de aire. El flujo de gas mejora la mezcla de combustible y aire y aumenta la recuperación de presión total. En un cohete con conducto de flujo variable, también conocido como cohete con conducto de flujo regulable, una válvula permite regular el flujo de escape del generador de gas, lo que posibilita el control del empuje. A diferencia de un LFRJ, los ramjets de propulsor sólido no pueden apagarse . El cohete con conducto se sitúa en un punto intermedio entre la simplicidad del SFRJ y el control de velocidad ilimitado del LFRJ.

Los difusores de los estatorreactores ralentizan el aire entrante a una velocidad subsónica antes de que entre en la cámara de combustión. Los estatorreactores supersónicos son similares a los estatorreactores, pero el aire fluye a través de la cámara de combustión a velocidad supersónica. Esto aumenta la presión recuperada del aire en movimiento y mejora el empuje neto. El bloqueo térmico del escape se evita al tener una velocidad de aire supersónica relativamente alta a la entrada de la cámara de combustión. La inyección de combustible suele realizarse en una región protegida debajo de un escalón en la pared de la cámara de combustión. El Boeing X-43 fue un pequeño estatorreactor experimental ^{[ 33 ]} que alcanzó Mach 5 (1700 m/s; 6100 km/h) durante 200 segundos en el X-51A Waverider . ^{[ 34 ]}   

Una variante del estatorreactor es el motor de ciclo combinado, diseñado para superar sus limitaciones. Un ejemplo de ello es el motor SABRE , que utiliza un preenfriador, detrás del cual se ubican el estatorreactor y la turbina.

El motor ATREX, desarrollado en Japón, es una implementación experimental de este concepto. Utiliza hidrógeno líquido como combustible en un sistema de un solo ventilador. El combustible líquido se bombea a través de un intercambiador de calor en la entrada de aire, calentándolo simultáneamente y enfriando el aire entrante. Este enfriamiento es fundamental para un funcionamiento eficiente. El hidrógeno continúa su recorrido a través de un segundo intercambiador de calor después de la sección de combustión, donde los gases de escape calientes se utilizan para calentarlo aún más, convirtiéndolo en un gas a alta presión. Este gas se dirige luego a través de las puntas del ventilador para proporcionarle la potencia motriz a velocidades subsónicas. Tras mezclarse con el aire, se quema en la cámara de combustión.

El motor Reaction Engines Scimitar se propuso para el avión hipersónico de pasajeros LAPCAT , y el Reaction Engines SABRE para el avión espacial Reaction Engines Skylon .

La atmósfera superior, por encima de unos 100 kilómetros (62 millas), contiene oxígeno monoatómico producido por el sol mediante fotoquímica. La NASA creó un concepto para recombinar este gas (enrarecido) en moléculas diatómicas a velocidades orbitales para impulsar un estatorreactor. ^{[ 41 ]} 

Un turborreactor con postcombustión o motor de derivación puede describirse como en transición del modo turbo al modo estatorreactor si puede alcanzar una velocidad de vuelo en la que la relación de presión del motor (epr) haya caído a uno. El postquemador turbo actúa entonces como un estatorreactor. ^{[ 42 ]} La presión dinámica de admisión está presente al entrar en el postquemador, pero ya no se ve incrementada por un aumento de presión de la turbomaquinaria. Un mayor aumento de la velocidad introduce una pérdida de presión debido a la presencia de la turbomaquinaria a medida que la epr cae por debajo de uno.

Un ejemplo notable fue el sistema de propulsión del Lockheed SR-71 Blackbird con un epr=0,9 a Mach 3,2. ^{[ 43 ]} El empuje requerido, el flujo de aire y la temperatura de escape para alcanzar esta velocidad provenían de un método estándar para aumentar el flujo de aire a través de un compresor que funcionaba a bajas velocidades corregidas, la purga del compresor y la capacidad de aumentar la temperatura del postquemador como resultado del enfriamiento del conducto y la tobera utilizando el aire tomado del compresor en lugar del gas de escape de la turbina, mucho más caliente, que es el habitual. ^{[ 44 ]}