Para alcanzar la órbita de la Tierra, cohetes necesitan toneladas de combustible y oxidantes para garantizar una propulsión adecuada. Este gran volumen de material también exige mucho espacio en la nave espacial; no es por nada que el Falcon 9, De SpaceX, mide unos 70 metros de largo.

Sin embargo, un nuevo motor en desarrollo por dos ingenieros estadounidenses propone una alternativa para optimizar la cantidad de oxidantes transportados por los cohetes y reducir el costo de los lanzamientos. Se trata del sistema de propulsión por succión de aire Fernis, una tecnología que combina las características de un motor cohete convencional y un motor a reacción.

Aaron Davis y Scott Stegman ya tienen un prototipo construido para capturar aire directamente de la atmósfera durante el viaje de la nave espacial y usarlo como oxidante para inducir la propulsión del vehículo. Fernis aspira pasivamente aire de un extremo y luego lo comprime y lo combina con queroseno y un poco de oxígeno gaseoso en una cámara de combustión.

Las llamas de reacción residuales dentro del compartimento se liberan en el otro extremo. Según los cálculos de los ingenieros, cuando esté completo, el sistema podría reducir la cantidad de oxidantes transportados por un cohete hasta en un 20%. En teoría, esto significa que los cohetes equipados con la tecnología podrían ser más compactos o asignar más espacios de compartimiento a las cargas útiles.

Motor de propulsión híbrido SABRE. Imagen: Reproducción

Histórico

Como señala el sitio Con conexión de cable, la idea de combinar un motor y un motor de cohete convencional no es nueva. Sin embargo, históricamente, esta característica se ha asociado con el uso por etapas. Virgin Galactic, una compañía de vuelos espaciales, por ejemplo, utiliza aviones a reacción para transportar cohetes convencionales a la atmósfera durante varios kilómetros y luego libera los vehículos, que son los únicos que completan la etapa final del viaje espacial.

Diseñada por NASA, el avión X-43 cuenta con un motor de cohete para darle al vehículo un impulso inicial. Luego, un sistema de chorro de aire hipersónico, conocido como scramjet, toma el control del vehículo.

Fernis, por otro lado, corresponde a un sistema de órbita de una sola etapa (SSTO). Es decir, propulsa vehículos que llegan a la órbita terrestre sin la ayuda de dispositivos externos y no necesitan despegar ninguna de sus piezas de maquinaria durante la ruta. Esta categoría también incluye Tecnología SABRE, un concepto de motor híbrido de motor cohete y jet hipersónico desarrollado por la empresa británica Reaction Engine.

Sin embargo, existe un desafío fundamental aplicado a los sistemas SSTO: para alcanzar la velocidad necesaria para alcanzar la órbita, se necesita un enorme volumen de propulsores. Al agregar combustible y otros materiales, el cohete se vuelve más pesado, lo que dificulta que el vehículo alcance las velocidades requeridas.

Es por esta razón que muchos cohetes tienen sistemas de desacoplamiento, en los que parte de la nave espacial se desconecta durante el vuelo, y no entran en la categoría SSTO. La expectativa de David y Stegman, por lo tanto, es que el sistema de propulsión por succión de aire hará el trabajo, eliminando parte de la necesidad de oxidantes a bordo de la nave espacial.

Pruebas

En diciembre de 2019, la pareja de ingenieros logró una prueba de encendido y demostró que el sistema es capaz de capturar y comprimir aire, así como de liberar llamas de forma segura, a velocidad cero. Aún así, como retrata un video publicado en YouTube, el prototipo está lejos de tener suficiente potencial para la propulsión de cohetes.

Imagen capturada durante la prueba del prototipo de Fernis. Imagen: Mountain Aerospace Solutions

La pareja también tiene la intención de realizar algunas pruebas más avanzadas a finales de este año para estudiar la energía máxima soportada por el motor experimental. Davis le dijo a Wired que espera obtener más de 600 segundos de impulso específico, una medida de la eficiencia del jet, durante las pruebas futuras.

El objetivo es bastante ambicioso, ya que el récord mundial que ostenta la NASA corresponde a 542 segundos. La mayoría de los cohetes orbitales en funcionamiento tienen impulsos específicos de alrededor de 300 segundos. Si todo va bien con los experimentos, David espera hacer el primer vuelo de un vehículo equipado con Fernis para 2022.

contestación

El sistema de propulsión por succión de aire, sin embargo, es visto con cierto escepticismo por algunos expertos. En entrevista con Wired, Adonios Karpetis, ingeniero aeroespacial egresado de la Universidad Texas A&M y experto en combustión de alta velocidad, sostiene que los cohetes viajan a velocidades supersónicas o hipersónicas, pero la cámara de combustión de estos vehículos no sufre los impactos de la alta velocidad.

No se puede decir lo mismo de los motores de succión de aire hipersónicos, que tienen flujos de aire hipersónicos dentro del motor. Karpetis recuerda que este fue un desafío para las empresas que fabrican motores scramjet hipersónicos y probablemente será una barrera para el motor Fernis.

“¿Qué pasará cuando Fenris se vuelva verdaderamente supersónico y el aire entre a alta velocidad? Una simple conjetura sería disminuir el comportamiento, reduciendo rápidamente el impulso específico de 600 segundos a un valor menor ”, dijo el experto.

Dan Erwin, profesor de ingeniería aeroespacial de la Universidad del Sur de California, dice que la atmósfera está compuesta de nitrógeno inerte, que cuando se calienta por combustión entre oxígeno y queroseno puede provocar una reducción en la temperatura de reacción y reducir la presión del sistema. . Afirma además que la velocidad de escape puede ser mayor que la velocidad de la sonda.