¿Qué tan alto puede llegar un estatorreactor?

Ayer, hubo una pregunta fuera de tema en Space.SE, preguntando si un misil estatorreactor podría colocarse en órbita. Imposible para un ramjet, obviamente, ya que requiere un flujo de aire de alta velocidad y es demasiado lento para alcanzar la velocidad orbital.

Sin embargo, esto me hizo pensar en las limitaciones de altitud de un estatorreactor:

¿Qué tan alto podría llegar un avión o un misil propulsado por estatorreactor? ¿Y cómo afecta la velocidad a la que viaja el avión a la mayor altitud posible?

Los chorros de todo tipo necesitan suficiente oxígeno en el exterior. Lo más alto que ha volado un jet fue 37.650 metros (123.520 pies) por un MiG-25 en 1977. Sin embargo, ese fue un vuelo muy parabólico. En vuelo nivelado, los jets pueden volar a 90,000 pies (27 km) más alto, hasta el momento.
¿Estatorreactor convencional o scramjet?
Es posible que también desee ver Shcramjets .
¿Traer tu propio aire se considera hacer trampa a los efectos de esta pregunta?
@Flater, sí, diría que es hacer trampa ... eso eliminaría una de las razones principales por las que usamos estatorreactores (especialmente en misiles), el hecho de que no necesitan transportar aire, lo que deja más espacio para quemar combustible...
@Flater tipo de relevante: " Acumulador de fluido propulsor ". ¿Recoger aire mientras está EN ÓRBITA?
Esto está bajo investigación actual, un estatorreactor mientras está dentro de la atmósfera, un cohete puro arriba, esto podría poner cosas en órbita a un costo de combustible reducido. La revista francesa 'Science&Vie', publicó un buen artículo sobre: ​​'Le pari fou de l'avion orbital' ('La puja del avión orbital', julio de 1986) Salut +

Respuestas (3)

Aquí hay una estimación rápida para esto.

La altitud máxima para un vuelo nivelado es cuando el motor no puede producir el empuje necesario para volar lo suficientemente rápido como para generar la sustentación necesaria para equilibrar el peso.

Los estatorreactores funcionan mejor alrededor de Mach 3 y pueden operar hasta Mach 6

La sustentación es proporcional a la velocidad al cuadrado y la densidad del aire. Entonces, duplicar la velocidad permite que el avión vuele en un aire que tiene una cuarta parte de la densidad.

Las ecuaciones para calcular la densidad del aire con la altitud son moderadamente complejas, pero aquí hay un par de tablas que muestran que la densidad a 32 km es unas ocho veces menor que a 20 km.

Entonces, si el SR-71 voló a Mach 3 y 25 km , y si pudiera hacer un SR-71 que pudiera volar a Mach 6, podría alcanzar otros 5 o 10 km de altitud.

Obviamente, esa es una simplificación masiva porque si cambiar las tecnologías del motor hubiera mejorado la velocidad del SR-71, lo habrían hecho. También porque los motores SR-71 eran estatorreactores cuando volaba rápido.

Un estatorreactor no lo pondrá en órbita porque la órbita no es solo una cuestión de volar lo suficientemente alto sino de alcanzar la velocidad orbital, la velocidad a la que la curva de su trayectoria de caída natural no tocará la tierra debido a la curvatura de la tierra. Se trata de Mach 25. Y (como señala Ross) incluso si pudiera alcanzar Mach 25, no puede circular la órbita con un motor de respiración de aire porque eso requiere empuje en el punto más alto.

A esas altitudes también hay que tener en cuenta la temperatura. Un número de Mach fijo no le dará un TAS fijo debido a la dependencia de la temperatura de la velocidad del sonido.
@Bianfable: sí, realmente ayudaría si alguien que entendiera mejor los cálculos pudiera resolverlo con mayor precisión.
Podría hacer los cálculos con mayor precisión, pero no creo que eso realmente responda la pregunta. Esta es más una respuesta a qué tan alto podría volar el SR-71 si pudiera llegar a Mach 6. , pero la pregunta original era sobre un estatorreactor en general (o un "misil estatorreactor").
No puedes alcanzar la órbita con un motor que respira aire. Incluso si puede llegar lo suficientemente rápido y lo suficientemente alto, no puede circular su órbita una vez que esté fuera de la atmósfera si su motor requiere aire. Y un estatorreactor no puede ir lo suficientemente rápido como para escapar de la Tierra por completo.
¿No sería la densidad del aire un factor limitante con respecto a la generación de empuje? ¿Dónde está ese techo?
La NASA indicó que al X-15 le fue bien con un Ramjet y tanques de combustible externos agregados, pero la velocidad máxima de arrastre se redujo a Mach 5, cuando se preveían más de Mach 6. Cuando el X-15 voló a Mach 6.7, el calor por frotamiento aerodinámico fue tan grande que varias partes simplemente se carbonizaron. Los materiales evolucionan rápido, al igual que la aerodinámica. Vamos a esperar y ver. Gesund +
@ user2647513: la densidad no es realmente el límite, porque reduce tanto la sustentación como la resistencia, por lo que puede volar más rápido con el mismo empuje y generar la misma sustentación. El límite es la velocidad máxima del motor. Estás volando tan rápido que el aire no tiene tiempo de mezclarse con el combustible y quemarlo, y reducir la velocidad del aire causaría demasiada resistencia.

Los estatorreactores pueden volar al menos así de alto:

Scramjet, X-43A volado en 2004: 110 000 pies/33 km .

Ramjet, RJ43-MA-11 en un misil BOMARC B, 1961, 100 000 pies / 30,5 km (pie de foto, pág. 31).

(Estatorreactor, XRJ47-W-5 probado por NACA en 1955: 73,000 pies / 22 km .)

Estatorreactor, extrapolado a partir de datos de vuelos en los que los vehículos seguían acelerando cuando se quedaron sin combustible: 131 000 pies/40 km . (Un vuelo llegó a 151,000 pies, pero probablemente eso no sea lo que se pregunta aquí).

...si los estatorreactores pueden seguir acelerando en un entorno donde la densidad del aire es inferior a 20 g/m 3 , entonces tal vez puedan sostener un vuelo propulsado hasta 40 km, donde la densidad es de solo 4 g/m 3 .

El SR-71 (con motores en modo estatorreactor a altitud y velocidad) volaba rutinariamente a más de 22 km; estuvo operativo a aproximadamente 81000 (aproximadamente 25 km) a Mach 3 durante muchos años.
Sí, pero solo encontré un debate sin resolver sobre si sus motores "turbo estatorreactores" realmente cuentan como estatorreactores.
El misil Bomarc (serie B) tenía una altitud de crucero máxima de 100K pies. Inicialmente se lanzó con un motor de cohete, pero se tituló y navegó con un par de estatorreactores.
Los motores SR-71 pueden actuar como turborreactores o estatorreactores dependiendo de la velocidad del aire, diría yo. Bendiciones +

[ 1Avión orbital, Science&Vie, julio de 1986]

El empuje y la eficiencia de Lorin Ramjet (Informe de Sänger y Bredt) aumentan con el cuadrado de la velocidad, con la raíz cuadrada de la temperatura de combustión. Estatorreactor comienza a trabajar alrededor de 300 km / h, los estudios consideraron una velocidad aerodinámica de 300 m / seg. Rendimiento alrededor de 12'000 HP por metro cuadrado de área de mamparo principal. A mayores altitudes (se hicieron cálculos para una velocidad máxima de 0,9 Mach y un techo de 12 km, previsto en un avión de persecución, los ingenieros pensaron que Lorin Ramjet no funcionaría por encima de los 18 km, debido a la mala combustión), el empuje y la potencia de propulsión disminuyen ligeramente. menos que la densidad del aire, pero el coeficiente de propulsión y la eficiencia aumentan debido a la temperatura más baja del aire fresco entrante.

A nivel del suelo y con una velocidad aerodinámica de 300 m/s, el empuje es de 3.000 kg por metro cuadrado de área de mamparo. La autonomía aumenta de 367 km a ras de suelo, en un caso, Skoda-Kauba P.14?, propuesto en https://www.enginehistory.org/Rockets/LorinRamjet/LorinRamjet.shtml a 1'100 km a 18'000 m . La duración del vuelo para una carga de combustible dada fue máxima a 14 000 m de altura, disminuyó ligeramente por encima de esto, para un peso total del avión de 6 000 kg, 1 000 kg de carga útil, 2 400 kg de combustible, área alar de 30 m2. Athodyd operando a temperaturas más altas pierde eficiencia, athodyd más pequeño impone temperaturas de trabajo más altas.

La potencia de propulsión aumenta con la tercera potencia de la velocidad. Aconsejaron Ramjets de 2 m de diámetro. La velocidad mínima a la que no es necesario bucear para acelerar, a 12.000 m de altura, era de 430 km/h. La prueba de este tubo en aviones convencionales se realizó a 100 m/seg sobre un Do-17Z, luego a 200 m/seg de velocidad aerodinámica. Para el diseño considerado, las velocidades fueron de 1'100 km/h a nivel del suelo y de 950 km/h en la estratosfera media.

Sugerí tener un Pulse Jet dentro o al lado del Ramjet, el diámetro del tubo Athodyd modificado en consecuencia, los pulsos proporcionan energía a velocidad cero y podrían llevar el Ramjet a su velocidad inicial. El ángulo del conducto de entrada se determinó como mejor a 10º. Dentro de un conducto, el calor de las partes exteriores del pulsorreactor se agregaría al empuje; si se instala una pared de doble conducto, lo mismo sucedería con el calor del lado exterior del estatorreactor. ¿DE ACUERDO? Bendiciones +

Skoda-Kauba P.14 Ramjet Fighter Airplane, como en 'German Jet Genesis', D Masters

Así que la respuesta corta es "18 km, teóricamente".
Quizás, pero sobre la información añadida, nunca se sabe cuándo será útil. Además de este comentario genérico, la información que agregué proviene de la época de la Segunda Guerra Mundial, la situación ha cambiado, es posible que 'Estatorreactor hipersónico' no difiera demasiado de estos tubos Lorin probados. Gracias. Bendiciones +
Ramjet Thrust se produce al pasar el escape caliente de la combustión de un combustible a través de una boquilla, acelera el flujo, la reacción a esto produce empuje. Para mantener el flujo a través de la boquilla, la combustión debe ocurrir a una presión mayor que la presión a la salida de la boquilla. En un estatorreactor, la alta presión se produce "empujando" aire externo hacia la cámara de combustión utilizando la velocidad de avance del vehículo.
El aire externo que ingresa al sistema de propulsión se convierte en el fluido de trabajo, como en un turborreactor. En un motor turborreactor, la alta presión en la cámara de combustión es generada por una pieza de maquinaria, un compresor. No hay compresores en un ramjet. Por lo tanto, los estatorreactores son más livianos y simples que un turborreactor. Los estatorreactores producen empuje solo cuando el vehículo ya se está moviendo; Los estatorreactores no pueden producir empuje cuando el motor está parado o estático.
Dado que un estatorreactor no puede producir empuje estático, se debe usar algún otro sistema de propulsión para acelerar el vehículo a una velocidad en la que el estatorreactor comience a producir empuje. Cuanto mayor es la velocidad del vehículo, mejor funciona un estatorreactor hasta que las pérdidas aerodinámicas se convierten en un factor dominante.
La combustión que produce empuje en el estatorreactor ocurre a una velocidad subsónica en la cámara de combustión. Para un vehículo que viaja de manera supersónica, el aire que ingresa al motor debe ser reducido a velocidades subsónicas por la entrada del avión. Las ondas de choque presentes en la entrada provocan pérdidas de rendimiento para el sistema de propulsión. Por encima de Mach 5, la propulsión ramjet se vuelve muy ineficiente. El nuevo estatorreactor de combustión supersónica, o scramjet, soluciona este problema realizando la combustión supersónicamente en el quemador.
Debido a que el estatorreactor usa aire externo para la combustión, es un sistema de propulsión más eficiente para volar dentro de la atmósfera que un cohete, que debe transportar todo su oxígeno. Los estatorreactores son ideales para vuelos de muy alta velocidad dentro de la atmósfera. EngineSim es un subprograma Java interactivo que le permite probar el diseño de motores estatorreactores. Los fundamentos de la propulsión del motor estatorreactor se pueden aprender con el simulador EngineSim. Original de Nancy Hall, NASA 'Ramjet Propulsion'. Bendiciones +
Hay una buena reseña sobre el vuelo hipersónico en la revista francesa 'Science&Vie', nº 826, julio de 1986. Salut +
Wikipedia, para Lockheed X-7, dron impulsado por Ramjet, probado en los años 50, base para Bomarc, indica una velocidad máxima alcanzada de Mach 4.3, altura de 32 km, 106 mil pies, superando a los misiles. Por lo tanto, otra información publicada podría ser engañosa. Bendiciones +
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La página de Wikipedia para el X-7 menciona solo sus especificaciones, no su rendimiento medido. Y la página web que cita para eso ha desaparecido :-(.
No soy responsable y no tengo forma de influir en la calidad o la operatividad de los datos y enlaces de Wikipedia, comuníquese con ellos o agregue información de usted mismo. Sobre el Boeing 'Bomarc', no tengo acceso a datos reales sobre el rendimiento de Boeing ni de la USAF. Por favor verifique esto con ellos, también. Gracias. Bendiciones +
¿Qué tan alto puede llegar un estatorreactor?
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