Motor a reacción preenfriado - Precooled jet engine

El motor a reacción preenfriado es un concepto que permite utilizar motores a reacción con turbomáquinas , a diferencia de los ramjets, a altas velocidades. El preenfriamiento restaura parte o la totalidad de la degradación del rendimiento del compresor del motor (al evitar el bloqueo / asfixia / flujo reducido), así como la del generador de gas completo (al mantener un aumento significativo de la temperatura de la cámara de combustión dentro de un límite fijo de temperatura de la turbina), que de otro modo evitaría el vuelo con altas temperaturas del ariete.

Para velocidades de vuelo más altas, el preenfriamiento puede incluir un intercambiador de calor refrigerado por combustible criogénico antes de que el aire ingrese al compresor. Después de ganar calor y vaporizarse en el intercambiador de calor, el combustible (por ejemplo, H 2 ) se quema en la cámara de combustión . El preenfriamiento mediante un intercambiador de calor no se ha utilizado en vuelo, pero se prevé que tenga un empuje y una eficiencia significativamente altos a velocidades de hasta Mach 5,5. Los ciclos de los motores a reacción preenfriados fueron analizados por Robert P. Carmichael en 1955. Los motores preenfriados evitan la necesidad de un condensador de aire porque, a diferencia de los motores de ciclo de aire líquido (LACE), los motores preenfriados enfrían el aire sin licuarlo .

Para velocidades de vuelo más bajas, el preenfriamiento se puede realizar con inyección de masa, conocida como WIPCC (enfriamiento del precompresor de inyección de agua). Este método se ha utilizado para aumentos de corta duración (debido a la capacidad limitada de refrigerante) a la velocidad máxima normal de una aeronave. "Operación Skyburner", que ganó un récord mundial de velocidad con un McDonnell Douglas F-4 Phantom II y el Mikoyan Ye-266 ( Mig 25 ). Ambos utilizaron un spray de agua / alcohol para enfriar el aire delante del compresor.

El preenfriamiento (así como la inyección de agua en la cámara de combustión) se utiliza a las velocidades de vuelo más bajas, es decir, durante el despegue, para aumentar el empuje a altas temperaturas ambientales.

Ventajas y desventajas del uso de intercambiadores de calor con preenfriadores

Una ventaja principal del preenfriamiento es (como predice la ley de los gases ideales ) para una relación de presión general dada , hay una reducción significativa en la temperatura de entrega del compresor (T3), lo que retrasa el alcanzar el límite de T3 a un número de Mach más alto. En consecuencia, las condiciones al nivel del mar (flujo corregido) se pueden mantener después del preenfriador en un rango muy amplio de velocidades de vuelo, maximizando así el empuje neto incluso a altas velocidades. El compresor y los conductos después de la entrada están sujetos a temperaturas mucho más bajas y más constantes y, por lo tanto, pueden estar hechos de aleaciones ligeras. Esto reduce el peso del motor, lo que mejora aún más la relación empuje / peso.

El hidrógeno es un combustible adecuado porque es líquido a temperaturas profundamente criogénicas, y en su rango útil tiene una capacidad calorífica específica total muy alta , incluido el calor latente de vaporización, superior al agua.

Sin embargo, la baja densidad del hidrógeno líquido tiene efectos negativos en el resto del vehículo, y el vehículo se vuelve físicamente muy grande, aunque el peso en el tren de aterrizaje y la carga de las alas puede permanecer bajo.

El hidrógeno causa un debilitamiento estructural en muchos materiales, conocido como fragilización por hidrógeno .

El peso del preenfriador se suma al peso del motor, reduciendo así su relación empuje / peso .

El paso del aire de admisión a través del preenfriador aumenta el arrastre de admisión, lo que reduce el empuje neto del motor y, por lo tanto, reduce la relación empuje / peso.

Dependiendo de la cantidad de enfriamiento requerido, a pesar de su alta capacidad térmica, se puede necesitar más hidrógeno para enfriar el aire del que se puede quemar con el aire enfriado. En algunos casos, parte del exceso de hidrógeno se puede quemar en un estatorreactor con aire sin enfriar para reducir esta ineficiencia.

A diferencia de un motor LACE, un motor preenfriado no necesita licuar el oxígeno, por lo que la cantidad de enfriamiento se reduce ya que no hay necesidad de cubrir la fusión del oxígeno y se requiere una menor caída de temperatura total. Esto, a su vez, reduce la cantidad de hidrógeno que se usa como disipador de calor, pero que no se puede quemar. Además, no se requiere un condensador, lo que permite ahorrar peso.

Historia del preenfriamiento mediante intercambiadores de calor

Robert P. Carmichael en 1955 ideó varios ciclos de motor que usaban hidrógeno líquido para preenfriar el aire de entrada al motor antes de usarlo como combustible.

El interés en los motores preenfriados vio un surgimiento en el Reino Unido en 1982, cuando Alan Bond creó un diseño de motor de cohete de respiración de aire preenfriado que llamó SATAN. La idea se desarrolló como parte del proyecto de avión espacial HOTOL SSTO y se convirtió en el Rolls-Royce RB545. En 1989, después de que se suspendiera el proyecto HOTOL, algunos de los ingenieros de RB545 crearon una empresa, Reaction Engines Ltd, para desarrollar la idea en el motor SABRE y el avión espacial Skylon asociado .

En 1987, N Tanatsugu publicó "Estudio analítico del avión espacial propulsado por Air-Turbo Ramjet con enfriador de aire de admisión". parte del estudio ISAS (ahora JAXA ) de Japón en un Air-Turbo Ramjet (ATR, más tarde ATREX después de la adición de un ciclo expansor) destinado a alimentar la primera etapa de un avión espacial TSTO . ATREX fue reemplazado por los estudios Preecooled Turbojet (PCTJ) e Hypersonic Turbojet. Un motor de prueba de combustión de hidrógeno preenfriado con nitrógeno líquido voló a Mach 2 en el campo de investigación aeroespacial de Taiki en septiembre de 2010.

Ver también

Referencias

  1. ↑ a b c d Sloop, John (1978). Hidrógeno líquido como combustible de propulsión, 1945-1959 (NASA SP-4404) (PDF) . NASA.
  2. ^ Mehta, U., J. Bowles, J. Melton, L. Huynh y P. Hagseth (febrero de 2015). "Acceso al espacio de asistencia de refrigeración del precompresor de inyección de agua" (PDF) . La Revista Aeronáutica . 119 (1212): 145-171 - a través de nas.nasa.gov.
  3. ^ "F-4 Phantom Modern Combat Aircraft 1", Bill Gunston, Ian Allan Ltd. 1977, ISBN  0 7110 0727 6 , página 19
  4. ^ Sweetman, Bill (1983). Vuelo de alta velocidad (página 129) . Archivo de Internet. Londres; Nueva York, NY: Jane's.
  5. ^ Kobayashi, H y Taguchi, H y Kojima, Takayuki y Harada, K y Okai, K y Hongoh, M y Arai, T y Sato, T (6 de octubre de 2011). Estado de desarrollo del turborreactor hipersónico para vuelo Mach 5 en JAXA (IAC-11.C4.5.1) . 62º Congreso Astronáutico Internacional 2011, IAC 2011. 8 . Ciudad del Cabo, Sudáfrica. págs. 6655–6659.Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )