¿Alguna vez se han utilizado motores de respiración de aire en un vehículo de reingreso?

A los efectos de esta pregunta, me gustaría suponer que no hay riesgo de vida para los astronautas, o que el diseño solo se usaría para la entrega de una carga útil no éticamente sensible. Al observar la mayoría de los diseños de módulos de aterrizaje de reentrada como Soyuz u otras cápsulas espaciales , parece que la gran mayoría, si no todos, usan exclusivamente paracaídas. Voy a suponer que esto se debe a varias razones: los paracaídas son probados y verdaderos, colocar mucho combustible cerca de humanos vivos puede ser malo, el combustible tiende a explotar cuando se sobrecalienta, etc.

Me gustaría saber si alguna carga útil ha usado algo como un motor turboventilador u otra forma de motor de respiración de aire para reducir la velocidad de su descenso/aterrizaje. ¿Sería poco práctico en comparación con otras tecnologías si la carga útil fuera lo suficientemente pesada como para requerir más que paracaídas?

¿Qué van a hacer exactamente los motores? Para aterrizajes verticales, necesitaría motores para obtener una relación de empuje a peso mayor que uno, pero eso no se quemó durante el reingreso. Eso va a agregar mucho peso y complejidad mecánica. ¿Qué beneficio obtenemos?
Los motores de respiración de aire @zeta-band más las alas pueden brindarle una capacidad de maniobra de la que carecía el transbordador espacial de EE. UU., con mucho menos de 1: 1 TWR.
@zeta-band Otra ventaja es ampliar el rango de sitios de aterrizaje accesibles para determinadas circunstancias de entrada, es decir, la dirección del vuelo al entrar, el ángulo de la ruta de vuelo de entrada, la ubicación (lat-lon) del inicio de la desaceleración aerodinámica, etc. Los ingenieros soviéticos diseñaron Buran con motores turborreactores.
NF-104A, para valores muy tentativos de "reentrada", es decir, ascenso de zoom/cohete a altitudes donde ni el motor de respiración de aire ni los controles aerodinámicos fueron efectivos (requiriendo un RCS), luego descender en aire más denso y reiniciar el motor.

Respuestas (5)

Como aludió @OrganicMarble, el transbordador soviético Buran fue diseñado con motores turborreactores (ver aquí ; y aquí , en "Los motores") para ampliar el rango de posibles ubicaciones de aterrizaje dadas las circunstancias de reingreso. Las versiones de prueba tenían instalados esos motores (los mismos motores utilizados en el caza Su-27), pero nunca se lanzaron al espacio. La versión que realmente se lanzó al espacio no tenía esos motores instalados.

Entonces, aunque hubo un diseño de nave espacial que usaba motores turborreactores, ese diseño específico nunca voló en el espacio. Ningún otro diseño detallado (es decir, más que simples dibujos arquitectónicos) utilizó un motor turborreactor o turboventilador.

¿Conoce alguna lectura adicional sobre cómo se esperaba que se comportaran las tomas de aire/chorros en las condiciones de reingreso hipersónico? Presumiblemente, solo habrían corrido una vez que Buran hubiera hecho la transición a un régimen de vuelo típico, pero obviamente estarían expuestos antes de eso. ¡Puedo hacer una nueva pregunta si la respuesta es bastante compleja (como imagino que lo es)!
Las tomas y los escapes debían cubrirse hasta que fueran necesarios. (Energiya-Buran; el transbordador espacial soviético (por Hendrickx y Vis), página 327)
Cuando estaba escribiendo mi respuesta anterior, estaba pensando que tal vez un estatorreactor sería mejor que un turborreactor o un turboventilador. Pero luego, pensando en dónde tendrían que estar los motores de ventilación de aire para sobrevivir a la reentrada sin gastar mucha masa en un sistema de protección térmica, decidí que el flujo de aire en las tomas sería muy turbulento. ¡A los estatorreactores no les gusta particularmente el flujo turbulento en sus tomas! Además, solo operan mientras son supersónicos, por lo que, si bien podrían proporcionar un control de trayectoria asistido por aire bruto, no podrían proporcionar control de etapa final o capacidad de dar la vuelta.

No creo que ningún vehículo equipado con motores que respiran aire haya volado al espacio y haya regresado. Algunos vehículos de prueba para Buran tenían motores a reacción instalados, pero no volaron al espacio. En esta imagen de un vehículo de prueba de Buran, puede ver que los montajes del motor a reacción interfieren con las boquillas de control de reacción, lo que demuestra que esta configuración no se puede usar en una misión orbital. Editar: el enlace de Tom Spilker muestra que los dos jets con correa debían permitir que el artículo de prueba despegara; los dos motores a cada lado del estabilizador vertical son jets que fueron planeados para el vehículo orbital. Sin embargo, en el único vuelo de Buran, estos jets no estaban instalados.

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"¿Podrían ser?" Quizás. Los primeros diseños de transbordadores (editar: y planes para Buran) presentaban motores a reacción para volar a la pista después del reingreso y para el vuelo en ferry. En el momento de los diseños de la Fase B de Shuttle, la mayoría de los motores a reacción ya no estaban y no llegaron al diseño final. Aquí hay un ejemplo de Dennis R. Jenkins, "Space Shuttle", edición de 1992 que muestra motores en cápsulas montadas sobre las alas en un concepto temprano de Orbiter.

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Hubo varias razones para descartarlos, diría que se redujo al hecho de que el costo, la complejidad y el peso de un sistema de motor separado no valía la pena por el poco tiempo que se usaría durante la misión.

Edición 2: El SERV ( Vehículo reutilizable orbital terrestre de una sola etapa ) de Chrysler para la Fase A del programa Transbordador tenía quizás la mayor cantidad de motores a reacción jamás propuestos para una nave espacial: ¡28!

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¿Son 12 motores aerospike? Mira, esto es en realidad lo que estaba imaginando en mi mente. Sin embargo, supongo que este diseño nunca entró en producción. Hice algo MUY similar a esto para volver a entrar (los dioses del espacio me castiguen por pensar que esto significa que es algo viable en la vida real) Kerbal Space Program y funcionó bien. Sin paracaídas, solo motores atmosféricos y una cantidad muy pequeña de combustible líquido, nada oxidante. No importa, ahora veo los 28 diminutos motores de aterrizaje.
Sí, tienes razón, nunca producido, solo propuesto. Este diseño obtuvo cero tracción, pero aparentemente no se pudo descartar como impracticable. Creo que hubiera sido asombroso, pero la complejidad mecánica de todas esas puertas y motores... un entorno rico en objetivos para fallas.
Ese artículo que vinculaste habla literalmente de todo lo que pregunté: necesito aprender a terminar de leer antes de preguntar cosas estúpidas que se responden en las fuentes que están vinculadas. Sin embargo, parece genial. No sería una mala idea para el primer SSTO reutilizable sin asistencia del mundo, o al menos parece que no sería tan mala idea ahora que la tecnología ha mejorado. Parece que en ese momento fue negado universalmente debido a restricciones técnicas...

Aunque aún no se ha volado, la compañía británica Reaction Engines ha diseñado un avión espacial reutilizable de una sola etapa para orbitar con motores de cohetes que utilizan oxígeno atmosférico para una parte sustancial del ascenso, antes de cambiar a tanques LOX internos una vez por encima de ~85,000 pies. Ya han diseñado y realizado algunas pruebas limitadas sobre la tecnología del motor, pero aún tienen que construir o probar el vehículo en general.

Por lo tanto, no es un turboventilador o un turborreactor, y no es una tecnología completamente desarrollada, pero podríamos ver esto en un futuro no muy lejano.

Pero, lamentablemente, los ~30 000 pies o 10 km no son una parte sustancial de la altura de unos 400 km para una órbita baja. Ir a una órbita requiere no solo la energía para la altura, sino aún más energía para alcanzar la velocidad necesaria de unos 8 km/s. Si intenta acelerar a 8 km/s dentro de la atmósfera, sería muy caliente, como un reingreso desde la órbita, lo que requeriría un escudo térmico y mucha energía para compensar el arrastre de la atmósfera.
@Uwe Curiosamente, el motor SABRE vinculado está diseñado para ir al 20% de altura/20% de velocidad de la órbita antes de cerrar el ciclo: ~ 28 km @ Mach ~ 5.1. Poder eliminar 1,8 km/s de dV sin vacío en el combustible podría ser muy significativo: la primera etapa del Saturn V en MECO fue de 68 km @ Mach 8. También representa el 77 % de la masa de lanzamiento inicial de un Saturn V. un lanzamiento reciente de Falcon 9, vemos un perfil algo similar: la primera etapa MECO está a 75 km @ Mach 7.7 en alrededor del 83% de la masa total en el lanzamiento.
@Uwe Sin embargo, es una idea interesante, ya que esos primeros 10 km son los 10 km más difíciles del lanzamiento.
-1, estos no se utilizarían para reducir la velocidad del vehículo
@uwe, vea la altitud de transición corregida. A partir de ese punto, el vehículo utiliza un ascenso más pronunciado (ya no gana mucha ventaja de arrastre de la gravedad de la sustentación) alcanzando los 3 km/s a unos 40 km. − 1 y 6km − 1 por encima de 80 km
@JCRM la pregunta era "descender lentamente O aterrizar" la nave. Aunque estos motores se concibieron principalmente para el ascenso, el vehículo es un avión espacial y, por lo tanto, podría beneficiarse de volver a encender los motores durante el descenso para modificar su trayectoria de aterrizaje. Esto no está en el diseño actual, que yo sepa, pero no hay ninguna razón técnica por la que no pueda estarlo.
Aumentar el rango cruzado tampoco es aterrizar. Los diseños de AFRL TSTO SABRE requieren que los motores se vuelvan a encender después del descenso para que la primera etapa regrese al sitio de lanzamiento, pero aún se desliza hacia un aterrizaje.
@TemporalWolf: 20 % de la altura de un LEO a 400 km es 80 km. ¿Hay suficiente aire a 80 km de altura para operar un motor de respiración de aire? El cambio a tanques LOX internos se realiza a los 10 km, no a los 80 km.
@Uwe según esa definición, la ISS no estuvo en LEO durante la primera década más o menos , a 350 km. No estoy seguro de dónde vino el "LEO comienza a los 400 km". Y el objetivo del diseño de los sables es cambiar a LOX a 28 km, no a 10 km.

Veré el lado físico por qué no se usan:

Los motores de respiración de aire (o más bien un motor) constan de dos partes:

  1. Combustible (generalmente no es lo mismo que los motores de cohetes; el RP-1 está descartado)
  2. los propios motores

Y aquí entra en juego la tiranía de los vuelos espaciales: cualquier masa que quieras derribar, primero tienes que subirla. Lo que aumenta el peso seco en la fórmula del cohete Tsiolkovsky... y por lo tanto reduce la eficiencia logarítmicamente.

Cápsula

La masa de un paracaídas es comparablemente pequeña a la de una cápsula de descenso, casi despreciable. Un motor que puede generar la misma cantidad de trabajo (fuerza a lo largo del tiempo) durante el descenso (almacenado en combustible) que el que aplica el paracaídas aumentaría enormemente la masa de la embarcación de descenso: se agrega el peso muerto del motor y el peso de el combustible que almacena este trabajo. Veamos esto en Formulae:

W Paracaídas = F Levantar × T Descendencia ; F Levantar ∝ ⌀ Paracaídas metro
W Motor = ∫ T F Motor d t ∝ d METRO d t × a

El quid aquí es romper el peso adicional del motor y el combustible (fuerza ~ masa) dentro del mismo marco de tiempo para mantener el perfil de descenso, que exige aceleraciones mucho más altas, lo que nuevamente exige un motor más potente (y más pesado), aumentando la necesidad de mayores aceleraciones. Tenga en cuenta que esto es para motores retroquemados.

aviones

Ahora, ese es un problema mucho menor para las naves espaciales que no sean cápsulas: el transbordador espacial y las ideas similares vuelan a su destino, utilizando el aire sobre las alas para redirigir la velocidad vertical a la horizontal. Debido a la sustentación del ing y su perfil de descenso mucho más superficial, PUEDEN volar (y romperse) con un TWR <1. ¡Pero nuevamente la tiranía de los vuelos espaciales se activa! Debe transportar la masa de los motores y su combustible (que, a menos que use RP-1, no es utilizable por sus motores de cohetes) al espacio, y no podrá volver a usarlo hasta que esté en la atmósfera. de nuevo. Eso reduce drásticamente la carga útil (ya que aumenta el peso muerto y Tsiolkovsky tiene un factor logarítmico de peso muerto para el peso inicial). Para una máxima eficiencia,

Retrocohetes

Pero, ¿y si los paracaídas no son suficientes? Bueno, entonces aún es mejor usar el siguiente paquete más eficiente para romper la carga, que es un SRB, ya que tiene el menor peso muerto y la mejor relación trabajo/masa. Prácticamente cualquier cápsula desde que Mercury usa un conjunto de retrocohetes SRB para entrar en su camino de descenso desde la órbita. Después de todo , obtienes la mejor relación con tu peso de ellos.

Si se necesita dirección, esto inclina la balanza para usar el RCS (el transbordador espacial hizo esto para descender) o los motores de cohetes que ya están en el diseño para maniobras orbitales, siguiendo la tiranía del dictado de los vuelos espaciales: minimizar el peso muerto.

Realmente no puedes culpar a la ecuación del cohete por nada aquí. Se trata del costo exponencial de lograr algún Δv. Sí, el aumento de la carga útil también hará que el ascenso sea más costoso, pero solo linealmente; eso no es específico para los cohetes; los aviones ordinarios también necesitan más combustible cuando están completamente cargados. Contrariamente a su argumento, los motores que respiran aire tendrían la ventaja sobre los retrocohetes de que no están sujetos a la ecuación del cohete con el Δv que necesita para frenar. Ese también es el beneficio de los paracaídas, pero no le brindan la buena capacidad de control de un aterrizaje propulsado.
... Sin embargo, estaría de acuerdo si dices que si vas a traer motores que respiran aire, deberías asegurarte de usarlos también para ascender para evitar la ecuación del cohete allí donde es más doloroso. Esa es la idea detrás de Skylon.
@leftaroundabout No entiende lo que trato de decir y la ecuación del cohete: no necesita un aumento lineal de combustible, es más: no solo necesita ajustarse para transportar la carga útil, también necesita transportar el combustible adicional, que nuevamente debe ser llevado por un incremento más pequeño: la fórmula de Tsiolkovsky es logarítmica. Además, no entiende el punto: mi argumento es "trabajo por peso", que es enorme para los paracaídas (debido a su bajo peso), muy bueno para los SRB (prácticamente cualquier vehículo de descenso los usa), bueno para los motores de cohetes (se benefician del cardán). Los turbohélices son, en comparación, demasiado pesados.
Δ v = v C ⋅ en ⁡ metro 0 metro F ⟺ metro 0 = metro F ⋅ Exp ⁡ ( Δ v v C ) . Él metro F no soporta la exponencial.
Me temo que no. Usted argumenta que la relación trabajo / masa (que básicamente equivale a un impulso específico) es el parámetro crucial, y los paracaídas> cohetes> turborreactores en ese sentido. Pero esto simplemente no es cierto: los motores que respiran aire tienen un impulso específico mucho más alto que cualquier motor de cohete (turbofan ca. 3000 s, los mejores cohetes 450 s). Solo cuando comparas las proporciones de empuje a masa, los cohetes ganan, pero el empuje por sí solo no es suficiente para el aterrizaje propulsor. El enfoque de Soyuz es eliminar primero la mayor parte de la velocidad con paracaídas y usar cohetes ligeros solo para la última parte.
@leftaroundabout en las condiciones en que comienza la ruptura y tiene el área principal, los motores de respiración de aire tienen un ISP de 0 o cercano a la simple FALTA DE AIRE
En realidad, la densidad del aire, al menos en principio, no afecta mucho al ISP de un motor a reacción. Afecta el empuje. Lo cual es un problema, pero debe formular la respuesta en consecuencia. Donde no hay aire, los paracaídas tampoco funcionan. Obviamente , no puede usar paracaídas o motores de respiración de aire para la combustión previa a la entrada en el vacío, pero tampoco creo que la pregunta asumiera esto ...

Problema 1: "Disminuya la velocidad al volver a entrar"... lidiando con muchas veces la velocidad del sonido. El turborreactor y el turboventilador no funcionan bien a muchas veces la velocidad del sonido, normalmente reducen la velocidad del aire a una velocidad más lenta que la del sonido en la etapa de combustión, por lo que la combustión subsónica puede seguir el ritmo del aire. (También está lidiando con grandes cantidades de energía que probablemente destruirían las turbinas debido a las tensiones físicas a velocidades supersónicas)

Problema 2: El aire se calienta mucho cuando se comprime debido a que la velocidad del sonido es muchas veces mayor, agrega calor de combustión y los materiales en las turbinas no pueden soportar el calor.

Normalmente, cuando se habla de muchas veces la velocidad del sonido, se usan scram jet o ram jets, los scram jets son muy innovadores y tratar de usarlos para invertir el empuje en lugar de agregar empuje necesitaría un rediseño y correría el riesgo de una mayor destrucción por el calor más alto que los materiales pueden manejar .

Buron tenía motores para acelerar en lugar de reducir la velocidad, al igual que un motor a reacción comercial normal (los aviones comerciales que usan motores como freno lo hacen solo cuando aterrizan a baja velocidad durante períodos cortos de tiempo). Cuando Buron baja a la velocidad de un avión normal al final del reingreso, la idea era que los motores pudieran activarse y luego Buron volara como un avión al aeropuerto para ampliar las opciones de aterrizaje en comparación con el planeo sin motor.

Normalmente, agregar resistencia... ya sea paracaídas, alas, alas variables, cambiar el perfil o la forma del vehículo, etc. tiene mucho más sentido que respirar aire empujando hacia atrás a velocidades Mach 10... Todavía tiene problemas con el sobrecalentamiento, el estrés, etc. menos que tratar de hacer combustión y empuje inverso al mismo tiempo. Una vez que haya bajado a velocidades similares a las de los aviones a reacción normales, normalmente puede aterrizar como un avión a reacción si lo desea o, de lo contrario, un paracaídas normal (el peso no es un problema, solo necesita alas más grandes o un paracaídas).

Sí, en teoría, podría aterrizar como un helicóptero en lugar de un avión a reacción, para permitir aterrizar en el lugar sin una pista larga con un motor de respiración de aire (el motor de un helicóptero podría describirse como ralentizar el helicóptero), hasta ahora nadie ha visto la necesidad. para eso.

En el caso de los "cohetes reutilizables" de Musk y sus amigos... más simple y probablemente menos pesado simplemente usar el motor del cohete que ya está allí, luego intente hacer una de las alternativas... y un motor que respira aire con suficiente empuje para hacer un aterrizaje vertical probablemente sería una de las alternativas más pobres a deslizarse hacia abajo con alas, paracaídas, etc.

En teoría, podrías tener un avión muy grande que coincida con la velocidad y se agarre/acople con el vehículo de reingreso como un halcón que atrapa a un pájaro volador como presa si pudieras dominar todos los desafíos, como el riesgo de que colisionen. Posiblemente, su avión muy grande podría tener jets ram o incluso jets scram y agarrar el cohete de reentrada a mach 3+. Hasta ahora, "no vale la pena" ni siquiera pensar seriamente en que tipos como Musk fabriquen cohetes, ya que es demasiado difícil y costoso y agrega pocas ventajas.

uhh ... "podrías aterrizar como un helicóptero [...] hasta ahora nadie ha visto la necesidad de eso" solo diré que Roton vio la necesidad de eso
¿Alguna vez se han utilizado motores de respiración de aire en un vehículo de reingreso?
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