Y si mejor hacen un avión cohete y ya esta.Pratt & Whitney Hace Un Renacimiento Hipersónico Mientras Que El Pentágono Impulsa La Reutilización
Guy Norris Steve Trimble 5 De Marzo De 2021
La configuración turborreactor - ramjet del motor J58 inspira la tecnología de propulsión reutilizable de alta velocidad para el programa Metacomet de Pratt & Whitney.
Crédito: Fuerza Aérea de EE. UU.
A medida que la propulsión hipersónica reutilizable asciende en la lista de prioridades del Departamento de Defensa de EE. UU., Pratt & Whitney ahora confirma que está trabajando en un programa de desarrollo secreto llamado Metacomet destinado a resolver el problema de desplegar sistemas de propulsión reutilizables de alta velocidad a bajo costo.
Metacomet, que ya tiene al menos dos años, un nombre vinculado a un jefe del pueblo Nativo Norteamericano Wampanoag del siglo XVII, también el homónimo de una cresta que domina una instalación de investigación de Pratt & Whitney en Connecticut, marca el regreso de la compañía a la propulsión Mach 3-plus casi una década después de vender su compañia pionera en el desarrollo de scramjet, Rocketdyne, que pasó a formar parte de la empresa matriz de Aerojet en 2012.
Con la propiedad intelectual del antiguo Rocketdyne fuera de los límites, la división GatorWorks de Pratt & Whitney, una unidad de creación de prototipos formada en 2018, lanzó Metacomet para enfocarse en alternativas de bajo costo a la propulsión ramjet y scramjet para vuelos de alta velocidad.
El esfuerzo se basa en la experiencia de la compañía con motores de combate de turbinas de gas y, en particular, se remonta a décadas de experiencia con el motor J58 desarrollado exclusivamente para el Lockheed SR-71, capaz de volar a mas de Mach 3. Ese avión logró un vuelo sostenido por encima del punto de corte de Mach de un turborreactor normal al desviar el aire de entrada del compresor directamente al postquemador.
"Cuanto más rápido vaya, más grande será el sistema de propulsión en relación con el vehículo y la cantidad de carga útil y combustible que realmente se puede introducir", dice David Stagney, director senior de GatorWorks. “Entonces, hemos pasado mucho tiempo volviendo a los fundamentos y pensando en cómo resolver ese problema de manera diferente. Sabemos que la Fuerza Aérea quiere ir muy rápido. También quieren tener algunas soluciones de muy bajo costo y poder tener una gran cantidad de vehículos ”.
Como resultado, Stagney dice que Pratt & Whitney está abordando el problema desde una nueva perspectiva. “Creemos que podemos proporcionar capacidades únicas sobre la base del legado que tenemos del motor Mach 3 que construimos hace varias décadas”, dice. "Esas habilidades básicas todavía están ahí, y nuestro objetivo en GatorWorks es crear una cartera completa de soluciones diferentes para una gama de soluciones de alto Mach".
El fabricante del motor cree que su enfoque de diseño, que se cree que se adapta a velocidades más altas por encima de Mach 3 pero por debajo de Mach 5, es más simple y más asequible porque evita la necesidad de ciclos puros de ramjet / scramjet o las complejidades de la transición de modo desde y hacia la turbina.
“Obviamente, existen compensaciones entre la velocidad, el alcance, el costo y la cantidad de carga útil que puede llevar y colocar en un vehículo que tiene sentido económicamente”, dice Stagney.
Metacomet parece desdibujar la distinción normal entre regímenes “altamente supersónicos” e “hipersónicos”. Describir hipersónico como cualquier cosa que viaje más rápido que Mach 5 es una definición ampliamente aceptada, aunque arbitraria. Para los diseñadores de vehículos aéreos, una condición hipersónica se refiere a una gama de efectos aerodinámicos y térmicos que surgen a diferentes velocidades por encima de Mach 5. Varían según el diseño del vehículo y el perfil de vuelo del vehículo. Estos efectos influyen fuertemente en los materiales y la forma de la estructura del avión, así como en el tipo de propulsión posible.
Los comentarios de Stagney sobre Metacomet sugieren que el programa está persiguiendo configuraciones de motor que pueden acercarse o exceder la definición de velocidad arbitraria del término hipersónico, pero no alcanzan los efectos aerodinámicos y térmicos especiales a nivel de sistema.
"Hemos encontrado algunas soluciones diferentes realmente únicas para ese problema en todo el espectro de velocidades", agrega. “Queremos ofrecer diferentes soluciones en las que no se está pensando en este momento y que tienen un costo por efecto mucho menor”.
El trabajo se centra particularmente en la reutilización y una arquitectura escalable que se puede aplicar para adaptarse a las diferentes prioridades de la misión en una combinación de diferentes tamaños, cargas útiles, alcances y velocidades.
Aunque la compañía se niega a proporcionar detalles del conjunto de soluciones Metacomet, los planes de prueba o las aplicaciones potenciales, Stagney dice que el vehículo demostrador Mayhem propuesto por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) para un sistema de propulsión hipersónico de respiración de aire “es definitivamente uno de los programas que estamos viendo, se lo aseguro ".
La AFRL reveló planes para el Demostrador del Sistema Mayhem el 13 de agosto como una plataforma "a gran escala, prescindible, que respira aire, hipersónica, multimisión" que puede transportar "cargas útiles más grandes a distancias más allá de lo que permiten las capacidades hipersónicas actuales", según un solicitud formal de información que se entregó a la industria.
A pesar de su antigüedad, el J58, que se desarrolló en la década de 1960 y se retiró cuando la NASA terminó los vuelos de prueba del SR-71 en 1997, sigue siendo uno de los motores de respiración de aire de alta velocidad más exitosos e ingeniosamente diseñados.
El ciclo del motor J-58.
Si bien la estrecha integración del motor con la estructura del avión SR-71 jugó un papel clave, la mayor parte de su éxito se puede atribuir a las características aeromecánicas del turborreactor J58 en sí. Estos incluían entradas de compresión mixtas simétricas y compuertas de soplado con toberas eyectoras convergentes-divergentes montadas en el fuselaje, todos aspectos que podrían desarrollarse aún más para aplicaciones del siglo XXI.
El cono de entrada de la toma de aire del J58, que se trasladaba longitudinalmente según el número de Mach, controlaba el área de la garganta y proporcionaba una estructura de choque estable en todo el rango de velocidad cercano a Mach 3.3. Por encima de Mach 2.2, se purgaba algo de flujo de aire del compresor y se alimentaba a través de conductos de derivación al aumentador, lo que hizo que el motor pasara de un turborreactor puro a un turboramjet. A la velocidad de crucero de diseño, alrededor del 70-80% de la fuerza de propulsión neta se derivaba de la presión de compresión del flujo en el pico.
Sin embargo, como la sección de la turbina todavía interactuaba parcialmente con la trayectoria del flujo, la velocidad máxima se regía por el calentamiento aerodinámico del flujo y el límite de temperatura de 800F se alcanzó poco después de Mach 3.2. El análisis aerodinámico ha indicado que el diseño de la entrada tiene el potencial de operar a velocidades de hasta Mach 5 y más. Además, una configuración basada en el J58 podría ir significativamente más rápido que Mach 3.3 si se incorporaran materiales modernos y sistemas de enfriamiento avanzados para expandir la temperatura. límites en el cono.
Sin embargo, como la sección de la turbina todavía interactuaba parcialmente con la trayectoria del flujo, la velocidad máxima se regía por el calentamiento aerodinámico del flujo y el límite de temperatura de 800°F (427°C) se alcanzaba poco después de Mach 3.2. El análisis aerodinámico ha indicado que el diseño de la entrada de aire tiene el potencial de operar a velocidades superiores a Mach 5. Además, una configuración basada en el J58 podría ir significativamente más rápido que Mach 3.3 si se incorporaran materiales modernos y sistemas de enfriamiento avanzados para expandir la temperatura límite en el compresor.
Otra área potencial de mejora sería la modulación del flujo de entrada y la capa límite. Otros controles de entrada en el J58 incluían las compuertas de desvío de proa y popa y los sangrados del carenado y cono, que controlaban el crecimiento de la capa límite.
Más tarde en el servicio, incluida la fase operativa final con la NASA, la introducción de un sistema de control digital automático de la entrada de aire y vuelo para orquestar la posición de los conos del motor y las compuertas de derivación delanteras había eliminado virtualmente el problema de los unstarts en las tomas de aire (N.T: una ruptura o desprendimiento generalmente violento del flujo de aire supersónico.) que obstaculizaron la operación de la aeronave en sus primeros años en servicio. Podría ser posible una mejora adicional en el control y, por lo tanto, en el rendimiento mediante la introducción de procesadores modernos y actuadores más rápidos.
Para un aumento adicional del rendimiento, una actualización del ciclo de funcionamiento del J58 también podría proporcionar un paso hacia números Mach más altos. Las opciones incluirían cambios en el diseño del compresor, mejoras en los materiales y adición de capacidad de combustión supersónica en la sección de postcombustión. Este rediseño radical probablemente también incluiría el cierre completo de la sección de la turbina para la condición de crucero máxima.
Pratt & Whitney también puede estar desempolvando los conceptos de actualización del J58 estudiados a fines de la década de 1990, cuando la NASA evaluó el aumento del rendimiento del SR-71 para respaldar su uso potencial en el lanzamiento de vehículos de investigación de alta velocidad y el transporte de paquetes experimentales cautivos a velocidades y altitudes más altas. Algunos de estos conceptos adicionales implicaron aumentar la temperatura de escape de la turbina, aumentar la velocidad del rotor del compresor, aumentar el flujo del postcombustión y modificar los programas de purga del compresor y de las paletas guía de entrada.
El concepto 2013 de Lockheed Martin para el SR-72 podría aprovechar un sistema de propulsión reutilizable de alta velocidad para misiones de vigilancia y ataque. Crédito: Lockheed Martin
La búsqueda de Pratt & Whitney de un sistema de propulsión reutilizable de alta velocidad se produce cuando la rama de Investigación e Ingeniería (R&E) del Departamento de Defensa comienza a mirar más allá de la prisa inicial para desplegar múltiples prototipos de sistemas de armas hipersónicas ofensivas y defensivas dentro de esta década. Si el impulso se materializa en un nuevo programa de desarrollo, el Departamento de Defensa podría respaldar el primer sistema operativo reutilizable desde la cancelación del demostrador de tecnología suborbital Lockheed Martin X-33 en 2001.
La rama de I + E ahora está desarrollando una estrategia para desplegar sistemas hipersónicos reutilizables para las misiones de ataque e inteligencia, vigilancia y reconocimiento, así como la primera etapa de un sistema de dos etapas para el acceso rápido al espacio orbital, dice un portavoz del Pentágono.
El documento de estrategia presenta el tercer elemento de los planes más amplios del Pentágono para la tecnología hipersónica.
Se espera que los misiles prescindibles se lancen en los próximos 2 a 5 años, como el arma de respuesta rápida lanzada desde el aire Lockheed Martin AGM-183, el arma hipersónica de largo alcance del ejército, el ataque rápido convencional de alcance intermedio de la Armada y misil de crucero de ataque hipersónico de la fuerza aérea componen el primer elemento. Los planes de la Agencia de Defensa de Misiles de entregar un interceptor terminal contra misiles hipersónicos a mediados de la década de 2020, seguido de un Interceptor de fase de planeo a fines de la década de 2020, representan el segundo elemento.
Además de las ofertas de Mayhem y Pratt & Whitney, el Departamento de Defensa también continúa desarrollando un motor de ciclo combinado basado en turbinas. El motor avanzado de rango completo, un proyecto patrocinado por DARPA y la Fuerza Aérea, combina un motor de turbina estándar, para vuelos de hasta Mach 2.5, con un motor ramjet de modo dual capaz de combustión supersónica para alcanzar velocidades superiores a Mach 5.
El camino hacia la propulsión hipersónica reutilizable también incluye programas civiles y comerciales. El brazo de investigación aeronáutica de la NASA, por ejemplo, ha lanzado el proyecto Hypersonic Technology, que incluye un enfoque especial en tecnologías de vehículos reutilizables para el fuselaje y el sistema de propulsión. La unidad de innovación AFWerx de la Fuerza Aérea también está realizando una investigación de mercado sobre una propuesta para brindar apoyo financiero y de ingeniería a las empresas comerciales que desarrollan aviones de pasajeros hipersónicos en el marco del programa Vector Prime.
El esfuerzo de AFWerx podría dar un impulso a varias empresas, incluidas Reaction Engines y la startup Hermeus.
“Nos complace ver que esa iniciativa gana impulso”, dice el director ejecutivo de Hermeus, AJ Piplica, en una entrevista. “En nuestras vidas pasadas, ciertamente hemos podido beneficiarnos de ese tipo de situación en la que el gobierno abre instalaciones de prueba, ya sea en tierra o en vuelo, y luego se asocia con la industria comercial para generar datos en nuevas partes del régimen de vuelo en el que nunca hemos estado antes.
“Ser capaz de hacer eso para vuelos supersónicos e hipersónicos realmente podría proporcionar algo de aceleración tanto a la industria como a una hoja de ruta de la Fuerza Aérea para vuelos hipersónicos reutilizables que actualmente tienen 15-20 años de vigencia”, agrega Piplica. "Entonces, si al asociarnos con la industria podemos reducir entre 5 y 10 años esa hoja de ruta, eso sería una gran victoria para el país".
Pratt & Whitney Makes Hypersonic Revival As Pentagon Pushes Reuse | Aviation Week Network
A secret program inside GatorWorks seeks to deliver a high-speed, reusable propulsion system.aviationweek.com
