Programas de estatorreactores scramjet

Cuando el segundo avión X-15 (pilotado por John B. McKay ) se estrelló en el vuelo 74, resultó dañado, pero sobrevivió lo suficiente como para ser reconstruido. North American Aviation lo reconstruyó como el X-15-A2. Entre otras cosas, uno de los cambios fue la incorporación de un motor scramjet simulado para comprobar la exactitud de las pruebas en el túnel de viento. Desafortunadamente, en el último vuelo del X-15-A2 ( vuelo 188 ), las ondas de choque generadas por el scramjet a Mach 6,7 provocaron un calentamiento extremadamente intenso de más de 1480 °C (2700 °F) . Esto perforó la aleta ventral y fundió grandes agujeros. El avión sobrevivió, pero nunca volvió a volar. Los datos de las pruebas fueron limitados debido a los escasos vuelos del scramjet antes de que se cancelara el X-15-A2 y el proyecto X-15 en su totalidad ^.  

Entre 1962 y 1978, el Laboratorio de Física Aplicada (APL) de Johns Hopkins llevó a cabo un programa clasificado (desclasificado en 1993) para desarrollar una familia de misiles llamada SCRAM ⁸ (Supersonic Combustion RAmjet Missile). Estaban diseñados para acoplarse al sistema de lanzamiento Talos MK12 o al lanzador Terrier MK10. Las pruebas de los módulos del motor en una instalación de conexión directa y de chorro libre se realizaron a una variedad de números Mach y presiones (altitudes). Estas incluyeron Mach 4 (24 000  pies), Mach 5,3 (46 000  pies), Mach 7,8 (67 000  pies) y Mach 10 (88 000  pies). Las pruebas demostraron que la eficiencia de combustión aceptable solo se lograba con más del 20 % de pentaborano (B ₅ H ₉ ) en MCPD (C ₁₂ H ₁₆ ). Las pruebas realizadas con pentaborano puro (HiCal) demostraron que se podía alcanzar un empuje neto a Mach 7. Se observó una capacidad de aceleración equivalente a 11 g para vuelos a Mach 5 a nivel del mar.

En 1986, el presidente de Estados Unidos, Ronald Reagan, anunció el programa del Avión Aeroespacial Nacional (NASP), cuyo objetivo era desarrollar dos aeronaves X-30 capaces de realizar despegues y aterrizajes en órbita en una sola etapa (SSTO), así como despegues y aterrizajes horizontales desde pistas convencionales. La aeronave sería un avión espacial propulsado por hidrógeno y con un sistema acelerador de baja velocidad para alcanzar Mach 3, momento en el que los motores scramjet de doble modo ( ramjet / scramjet ) tomarían el control. Al borde de la atmósfera, un cohete se encargaría de proporcionar la energía final para la inserción orbital. El programa se basaba en un programa de investigación clasificado de DARPA llamado Copper Canyon. Este programa sugería que Mach 25 podría ser posible. A medida que avanzaba el programa, quedó claro que Mach 17 era probablemente el límite, mientras que el peso adicional y la complejidad del intercambiador de calor de la superficie y otros sistemas de propulsión serían considerables. El programa fue creado por el secretario de defensa en 1985 y recibió financiación hasta finales del año fiscal 1994, cuando se decidió que los 15.000 millones de dólares necesarios para construir las dos naves de prueba X-30 eran excesivos.

Aunque se cancelaron las partes más visibles del programa, NASP proporcionó una gran cantidad de investigación básica, cuyos resultados se incorporaron a proyectos posteriores. Por ejemplo, el modelo de reacción ⁷ de NASP para la combustión de hidrógeno en el aire (31 reacciones, 16 especies) todavía se utiliza ampliamente donde la capacidad computacional es suficiente para no tener que usar modelos de reacción reducidos.

En una instalación de pruebas en la Base de la Fuerza Aérea Arnold en el estado estadounidense de Tennessee , el Laboratorio General de Ciencias Aplicadas (GASL) disparó un proyectil equipado con un motor scramjet de hidrocarburos desde un cañón de gran calibre. El 26 de julio de 2001, el proyectil de cuatro pulgadas (100  mm) de ancho recorrió una distancia de 260 pies (79 m) en 30 milisegundos (aproximadamente 5900  mph o 9500  km/h). ^{[ 1 ]} Se supone que el proyectil es un modelo para el diseño de un misil . Muchos no consideran esto un "vuelo" de scramjet, ya que la prueba tuvo lugar cerca del nivel del suelo. Sin embargo, el entorno de prueba se describió como muy realista.

El proyecto Hyper-X X-43A de la NASA Langley, con un presupuesto de 250 millones de dólares, surgió del programa cancelado del Avión Aeroespacial Nacional (NASP), en el que la NASA colaboró. En lugar de desarrollar y lanzar un avión espacial grande y costoso con capacidad orbital, Hyper-X realizó pruebas con pequeños vehículos para demostrar el funcionamiento de los motores scramjet alimentados con hidrógeno. La NASA colaboró ​​con los contratistas Boeing , Microcraft y el Laboratorio General de Ciencias Aplicadas (GASL) en este proyecto.

El programa Hyper-X de la NASA es el sucesor del programa National Aerospace Plane (NASP) , que fue cancelado en noviembre de 1994. Este programa incluye pruebas de vuelo mediante la construcción de los vehículos X-43. La NASA realizó con éxito su primer vuelo de prueba con motor scramjet X-43A el 27 de marzo de 2004 (una prueba anterior, el 2 de junio de 2001, se salió de control y tuvo que ser destruida). A diferencia del vehículo de la Universidad de Queensland, este siguió una trayectoria horizontal. Tras separarse de su nave nodriza y propulsor, alcanzó brevemente una velocidad de 8000  km/h (5000 millas por hora), el equivalente a Mach 7, superando con facilidad el récord de velocidad anterior para vuelo horizontal de un vehículo con motor de respiración atmosférica. Sus motores funcionaron durante once segundos, tiempo en el que recorrió una distancia de 24  km (15 millas). El Libro Guinness de los Récords certificó el vuelo del X-43A como el poseedor del récord de velocidad aérea vigente el 30 de agosto de 2004. El tercer vuelo del X-43 estableció un nuevo récord de velocidad de 6600  mph (10 620  km/h), casi Mach 10, el 16 de noviembre de 2004. Fue impulsado por un cohete Pegasus modificado que se lanzó desde un Boeing B-52 a 13 157 metros (43 166  pies). Después de un vuelo libre donde el estatorreactor funcionó durante unos diez segundos, la aeronave realizó un impacto planificado en el Océano Pacífico frente a la costa del sur de California. Las aeronaves X-43A fueron diseñadas para estrellarse en el océano sin posibilidad de recuperación. La geometría del conducto y el rendimiento del X-43 son información clasificada.

Los centros Langley, Marshall y Glenn de la NASA participan activamente en estudios de propulsión hipersónica. El Centro Glenn lidera el desarrollo de un motor de turbina Mach 4 de interés para la USAF. En cuanto al X-43A Hyper-X, actualmente se están considerando tres proyectos posteriores:

X-43B: Una versión ampliada del X-43A, propulsada por el motor ISTAR ( Integrated Systems Test of an Air-Breathing Rocket ). ISTAR utilizará un modo de cohete líquido a base de hidrocarburos para el impulso inicial, un modo ramjet para velocidades superiores a Mach 2.5 y un modo scramjet para velocidades superiores a Mach 5, alcanzando velocidades máximas de al menos Mach 7. Una versión destinada al lanzamiento espacial podría volver al modo cohete para el impulso final hacia el espacio. ISTAR se basa en un diseño patentado de Aerojet llamado "strutjet", que actualmente se encuentra en fase de pruebas en túnel de viento. El Centro de Propulsión Espacial Marshall de la NASA ha presentado el programa ISTAR (Integrated Systems Test of the Air-Breathing Rocket), lo que ha impulsado a Pratt & Whitney , Aerojet y Rocketdyne a unir fuerzas para su desarrollo.

X-43C: La NASA está en conversaciones con la Fuerza Aérea para el desarrollo de una variante del X-43A que utilizaría el motor scramjet HyTECH, alimentado con hidrocarburos. La Fuerza Aérea de EE. UU. y Pratt & Whitney han colaborado en el motor scramjet de tecnología hipersónica ( HyTECH ), que ya ha sido probado en un túnel de viento.

Si bien la mayoría de los diseños de motores scramjet hasta la fecha han utilizado hidrógeno como combustible, HyTech funciona con combustibles de hidrocarburos convencionales tipo queroseno, mucho más prácticos para el mantenimiento de vehículos operativos. Actualmente se está construyendo un motor a escala real que utilizará su propio combustible para la refrigeración. El uso de combustible para la refrigeración del motor no es nuevo, pero el sistema de refrigeración también actuará como un reactor químico , descomponiendo los hidrocarburos de cadena larga en hidrocarburos de cadena corta que se queman más rápidamente.

X-43D: Una versión del X-43A con un motor scramjet propulsado por hidrógeno con una velocidad máxima de Mach 15.

El 10 de diciembre de 2005, Alliant Techsystems (ATK) realizó con éxito una prueba de vuelo de un vehículo de vuelo libre propulsado por un motor scramjet de respiración atmosférica alimentado con combustible líquido JP-10 (hidrocarburo) desde las instalaciones de vuelo de Wallops de la NASA en Wallops Island, Virginia. La prueba de vuelo se llevó a cabo bajo la técnica de prueba de motor scramjet atmosférico de vuelo libre (FASTT) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA)/ Oficina de Investigación Naval (ONR).Este último vuelo fue la culminación de un programa de tres años y tres vuelos para demostrar con éxito la viabilidad del uso de cohetes sonda lanzados desde tierra como un método de bajo costo para las pruebas de vuelo hipersónico , y representa la primera prueba de vuelo en el mundo de un vehículo propulsado por un estatorreactor de respiración atmosférica que utiliza combustible de hidrocarburos.

El proyecto FASTT, que comenzó a finales de 2002, consistió en el diseño y la fabricación de tres vehículos de vuelo y un banco de pruebas terrestre para motores, destinados a ensayos en túnel de viento. Las dos primeras cargas útiles, denominadas vehículos de carga útil sustitutos, se asemejaban mucho al prototipo de vuelo con motor scramjet, pero carecían del sistema de flujo interno y del sistema de combustible. Se diseñaron como prototipos de prueba para validar subsistemas del vehículo, como el rendimiento de la combinación de la pila de propulsores, los conjuntos de aletas, el mecanismo de despliegue de la carga útil, la telemetría y la capacidad de seguimiento, y la cubierta de entrada, antes de realizar las pruebas de vuelo del sistema de flujo del motor scramjet, más complejo, que se sometería a pruebas de concepto en un túnel de viento antes de las pruebas de vuelo.

El primer vehículo sustituto, SPV1, fue lanzado a bordo de un cohete de combustible sólido de dos etapas Terrier/Improved Orion sin guía desde Wallops Island el 18 de octubre de 2003, aproximadamente 12 meses después del inicio del programa. Este tenía la misma línea de molde exterior que la carga útil scramjet con cubierta y contenía instrumentación y sistemas de telemetría completos a bordo. El vehículo fue impulsado a aproximadamente 4600 pies/s (1400 m/s) y 52 000 pies (16 000 m) de altitud, donde se desplegó en vuelo libre, desplegó su cubierta a alta presión dinámica y voló en una trayectoria sin propulsión hasta el amerizaje. Todos los subsistemas a bordo funcionaron a la perfección. Sin embargo, la etapa de propulsión insertó la carga útil a una velocidad, altitud y ángulo de trayectoria de vuelo inferiores a los deseados. El segundo vehículo sustituto, SPV2, fue lanzado a bordo del mismo conjunto de propulsores desde Wallops Island el 16 de abril de 2004, aproximadamente seis meses después del primer lanzamiento. Tras realizar ligeras correcciones de trayectoria para tener en cuenta los efectos del riel de lanzamiento, una resistencia aerodinámica mayor a la prevista y el rendimiento real del propulsor, la carga útil se insertó nominalmente por encima de 5200 ft/s (1600 m/s) y 61 000 ft (19 000 m) de altitud. El conjunto completo de subsistemas se volvió a probar en vuelo en esta exitosa prueba de vuelo. Los resultados de estas dos pruebas de vuelo se resumen en un documento técnico AIAA-2005-3297, presentado en la 13.ª Conferencia Internacional sobre Aviones Espaciales y Sistemas y Tecnologías Hipersónicas (véase        )en Capua, Italia.

El hardware del motor de prueba en tierra se fabricó durante 18 meses y se sometió a un programa de pruebas de validación de cuatro meses en el complejo de túneles de viento ATK GASL Freejet Leg 6, ubicado en Ronkonkoma, Nueva York. El encendido, la regulación del combustible y el funcionamiento del motor se probaron exhaustivamente en un rango de condiciones de vuelo previstas. Después de un retraso de dos meses para modificar el hardware de vuelo con base en los resultados de las pruebas en tierra, el primer vehículo propulsado, FFV1, se lanzó sin incidentes, alcanzando velocidades de 5300 ft/s (1600 m/s) a una altitud de 63 000 ft (19 000 m) , aproximadamente Mach 5.5. Se registraron más de 140 presiones, temperaturas y aceleraciones de la entrada, la cámara de combustión y la línea de molde exterior del vehículo, así como la presión del combustible, la retroalimentación de sincronización y el monitoreo de los sistemas de potencia. El vehículo ejecutó las secuencias de prueba prescritas sin fallas durante 15 segundos, antes de continuar su viaje para amerizar en el Océano Atlántico. Se pueden encontrar más detalles en el documento técnico AIAA-2006-8119, ^{[ 2 ]} presentado en la 14.ª Conferencia Internacional sobre Aviones Espaciales y Sistemas y Tecnologías Hipersónicas, en Canberra, Australia.    

La división GASL de Alliant Techsystems Inc. (ATK) lideró el equipo de contratistas para el proyecto FASTT, desarrolló e integró el vehículo scramjet y actuó como gestor de la misión para los tres vuelos. La integración y el procesamiento del vehículo de lanzamiento fueron realizados por Rocket Support Services (anteriormente DTI Associates), Glen Burnie, MD; la cubierta de vuelo fue desarrollada por Systima Technologies, Inc. , Bothell, Washington; los sistemas eléctricos, la telemetría y la instrumentación fueron gestionados por el Contrato de la Oficina de Cohetes Sonda de la NASA (NSROC); el soporte para las pruebas de vuelo fue proporcionado por las Instalaciones de Vuelo Wallops de la NASA; y el soporte técnico fue proporcionado por el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins, Baltimore, MD. GASL previamente construyó e integró los conductos de flujo del motor y los sistemas de combustible para los tres vehículos de vuelo X-43A, trabajando en estrecha colaboración con el fabricante de aeronaves e integrador de sistemas Boeing, NASA Langley y NASA Dryden en el exitoso Programa Hyper-X.

Por completar

Hy-V es un experimento con un motor scramjet para obtener y comparar datos de combustión supersónica obtenidos mediante pruebas en tierra y en vuelo. El objetivo general del proyecto es validar los resultados de las pruebas en túnel de viento, que posteriormente se utilizarán para desarrollar códigos computacionales. Los investigadores principales son la Universidad de Virginia , Virginia Tech y Alliant Techsystems , y la prueba se lanzará en un cohete sonda Terrier-Orion desde las instalaciones de la NASA en Wallops Island . ^{[ 3 ]}

El Boeing X-51 es un avión de demostración con motor scramjet para pruebas de vuelo hipersónico ( Mach 7, alrededor de 8050 km/h). El programa X-51 WaveRider es un consorcio formado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, DARPA , la NASA , Boeing y Pratt & Whitney Rocketdyne . El programa está gestionado por la Dirección de Propulsión del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (AFRL). ^{[ 4 ]} 

El X-51 es descendiente de esfuerzos anteriores, incluyendo el Demostrador Avanzado de Misiles de Respuesta Rápida y el motor scramjet alimentado con hidrocarburos líquidos desarrollado bajo el programa HyTech de la USAF . El primer vuelo libre del X-51 tuvo lugar en mayo de 2010. El 1 de mayo de 2013, el X-51 realizó su primera prueba de vuelo completamente exitosa, volando durante 240 segundos hasta quedarse sin combustible; esta prueba fue el vuelo hipersónico con propulsión atmosférica más largo . Esta prueba significó la finalización del programa. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El concepto de arma hipersónica de respiración aérea (HAWC, pronunciado Hawk) es un misil de crucero hipersónico lanzado desde el aire, propulsado por un estatorreactor y sin ojiva , que está siendo desarrollado por DARPA y utiliza su propia energía cinética al impactar para destruir el objetivo. Fue probado con éxito por primera vez en septiembre de 2021. ^{[ 7 ]} Otra prueba exitosa se llevó a cabo a mediados de marzo de 2022 en medio de la invasión rusa de Ucrania , pero los detalles adicionales se mantuvieron en secreto para evitar una escalada de tensiones con Rusia, y fueron filtrados por un funcionario anónimo del Pentágono a principios de abril. El misil fue lanzado con éxito desde un bombardero estratégico B-52 frente a la costa oeste y voló por encima de los 65 000 pies durante más de 300 millas (483 km). ^{[ 8 ]} 

El misil de crucero de ataque hipersónico (HACM) de alcance táctico sucesor será construido por Raytheon Technologies y utilizará un estatorreactor scramjet de Northrop Grumman . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Leidos recibió un contrato para desarrollar el demostrador de tecnología hipersónica Mayhem (Expendable Hypersonic Multi-mission ISR (inteligencia, vigilancia y reconocimiento) y programa de ataque) propulsado por un estatorreactor no tripulado, en diciembre de 2022. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

El 30 de julio de 2002, el equipo HyShot de la Universidad de Queensland (y sus socios internacionales) llevaron a cabo el primer vuelo de prueba exitoso de un motor scramjet.

El equipo adoptó un enfoque singular para acelerar el motor a la velocidad necesaria, utilizando un cohete sonda Terrier-Orion para elevar la aeronave en una trayectoria parabólica hasta una altitud de 314 km. Al reingresar a la atmósfera, la aeronave descendió a una velocidad de Mach 7,6. Acto seguido, se puso en marcha el motor scramjet y voló a aproximadamente Mach 7,6 durante 6 segundos. Esto se logró con un presupuesto ajustado de tan solo 1,5 millones de dólares australianos (1,1 millones de dólares estadounidenses), una pequeña fracción de los 250 millones de dólares estadounidenses que la NASA invirtió en el desarrollo del X-43A . En este proyecto participaron muchos de los mismos investigadores que colaboraron en el informe de la Universidad de Queensland de 1995 sobre el primer desarrollo de un motor scramjet que logró un empuje mayor que la resistencia ^{aerodinámica} .

El sábado 25 de marzo de 2006, investigadores de la Universidad de Queensland realizaron otro exitoso vuelo de prueba de un motor HyShot Scramjet en el campo de pruebas de Woomera, en Australia Meridional . El Hyshot III, con su motor de 1.200.000 libras esterlinas, realizó un vuelo aparentemente exitoso (y un aterrizaje forzoso planificado) alcanzando una velocidad de Mach 7,6.

La NASA ha explicado parcialmente la enorme diferencia de coste entre los dos proyectos señalando que el vehículo estadounidense tiene un motor totalmente integrado en la estructura del avión, con un conjunto completo de superficies de control de vuelo disponibles.

En la segunda misión HyShot, no se logró ningún empuje neto. (El empuje fue menor que la resistencia). ^{[ 13 ]}

El programa HyShot actualmente consta de las siguientes pruebas:

• HyShot 1 - Motor scramjet UQ 2-D. El lanzamiento falló debido a que una roca en la plataforma de aterrizaje perforó una de las aletas del cohete.
• HyShot 2 - Motor scramjet UQ 2-D. Éxito el 30 de julio de 2002.
• HyShot 3-7: pruebas de la NASA. Canceladas tras el anuncio de la misión tripulada a Marte.
• HyShot 8 (ahora conocido como HyShot III): motor scramjet de cuatro cámaras QinetiQ . Su lanzamiento fue un éxito el 25 de marzo de 2006.
• HyShot 9 (ahora conocido como HyShot IV): motor scramjet UQ 2D con hipermezclador JAXA. Lanzamiento exitoso el 30 de marzo de 2006.
• HyShot 10 - HyCAUSE - Motor scramjet DSTO. Éxito el 15 de junio de 2007.

El patrocinio para el programa de vuelo HyShot fue obtenido de la Universidad de Queensland, Astrotech Space Operations, Defence Evaluation and Research Agency (DERA (ahora Qinetiq), Reino Unido), National Aeronautics and Space Agency (NASA, EE. UU.), Defence, Science and Technology Organisation (DSTO, Australia), Dept of Defence (Australia), Dept of Industry Science and Resources (Australia), el Centro Aeroespacial Alemán (DLR, Alemania), la Universidad Nacional de Seúl (Corea), el Consejo Australiano de Investigación, el Instituto Australiano de Investigación Espacial (ASRI), Alesi Technologies (Australia), National Aerospace Laboratories (NAL, Japón), NQEA (Australia), Australian Research and Development Unit (ARDU, Australia), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR, EE. UU.) y Luxfer, Australia.

El programa HIFiRE (Hypersonic International Flight Research and Experimentation) es un programa conjunto del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y el Grupo DST australiano . El objetivo de este programa es investigar fenómenos hipersónicos fundamentales y acelerar el desarrollo de tecnologías de vehículos aeroespaciales consideradas cruciales para el ataque de precisión de largo alcance ^{[ 14 ]} mediante una estrategia de experimentación con prototipos asequible y accesible ^{[ 15 ] .}

• HIFiRE 0 7 de mayo de 2009 - Primer vuelo de prueba hipersónico HIFiRE ^{[ 16 ]}
• HIFiRE 1 22 de marzo de 2010 - Transición de capa límite cónica axisimétrica ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• HIFiRE 2 1 de mayo de 2012 - Perfil de velocidad acelerada de un scramjet axisimétrico alimentado con hidrocarburos ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}
• HIFiRE 3 13 de septiembre de 2012 - Agricultura radical ^{[ 23 ]} de un scramjet axisimétrico alimentado con hidrógeno ^{[ 24 ]}
• HIFiRE 4, 30 de junio de 2017 - Rendimiento aerodinámico de un vehículo hipersónico de planeo
• HIFiRE 5, 23 de abril de 2012 - Transición de la capa límite del cuerpo delantero elíptico (falló porque solo alcanzó Mach 3)
• HIFiRE 5b 18 de mayo de 2016 - Transición elíptica de la capa límite del antebrazo
• ¿HiFIRE 6 cancelado  ? - Control de vuelo adaptativo de un vehículo hipersónico
• HIFiRE 7, 30 de marzo de 2015 - Vuelo libre de un estatorreactor de combustión supersónica alimentado con hidrocarburos con entrada de aire REST
• ¿HIFiRE 8 cancelado  ? - Vuelo sostenido de un vehículo hipersónico que integra un estatorreactor de combustible de hidrocarburos con entrada de aire REST.

En 2012, el programa HIFiRE fue reconocido con el prestigioso Premio von Karman por el Congreso Internacional de Ciencias Aeronáuticas. ^{[ 25 ]}