04/Mar/09

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Aviones que toman aire: ¿Las naves espaciales del futuro?

Llegar al espacio nunca ha sido simple. Un activo ejército de miles de personas es necesario para lanzar el trasbordador espacial, aterrizar sin peligro, y remozarlo para que esté listo otra vez

Y los cohetes espaciales, incluso los más básicos, requieren etapas múltiples cuyo peso principalmente es el de los oxidantes necesarios para quemar el combustible. Los cohetes despegan verticalmente para minimizar el tiempo que pasan donde la atmósfera terrestre es más gruesa, liberándose de etapas para reducir el peso a medida que suben.

Durante décadas, los ingenieros han soñado con una mejor manera: un vehículo de una única etapa hasta ponerse en órbita, que sería más liviano, más barato y más fácil de volver a usar. Una flota de estos vehículos, dicen los ingenieros, podría ser casi tan fácil de mantener como los aviones a reacción convencionales, reduciendo el tiempo de preparativos antes de cada lanzamiento, de meses a días o incluso horas.

Ya que la mayor parte del peso de un cohete consiste en oxidante, un enfoque lógico es ahorrar peso desarrollando un motor que pueda usar el oxígeno de la atmósfera para quemar el combustible, al menos en parte del camino.

¿Estamos llegando más cerca de este objetivo? La semana pasada, la firma del Reino Unido Reaction Engines anunciaron que habían recibido 1 millón de euros de la Agencia Espacial Europea para desarrollar tres partes claves de un motor de cohete que tome aire. La firma espera que esos componentes puedan algún día ayudar cumplir un plan de décadas de construir un avión espacial llamado Skylon, que podía despegar y aterrizar en una pista de aterrizaje como un jet convencional.

Pero Skylon no es la única alternativa. New Scientist echa un vistazo a la tecnología del avión a aire y a lo que podría significar para el futuro de los vuelos espaciales.

¿Cómo trabajan los motores que toman aire?

El motor de aire básico usa entradas en el frente del vehículo para tomar aire. Lo que ocurre después, depende del diseño.

Un motor común es el motor ramjet, o estatorreactor, que usa la geometría del motor para disminuir la velocidad del aire. Pero los ramjets sólo son útiles a velocidades relativamente bajas. A velocidades hipersónicas -por encima de 5 veces la velocidad del sonido, o Mach 5- el aire de velocidad reducida está demasiado caliente para ser útil en la combustión.

Una solución popular para este problema es el scramjet, que no disminuye mucho la velocidad del aire, pero en cambio mezcla rápidamente el aire de más velocidad con combustible para crear impulso. Pero los scramjets son útiles sólo a más de Mach 5, que significa que otro sistema, quizás un cohete convencional, es necesario para propulsar el avión hasta velocidades hipersónicas.

¿Qué tan rápido pueden viajar los motores de aire?

La respuesta no está clara todavía, ya que la tecnología no ha pasado por muchas pruebas. Pero a cierta velocidad, los investigadores creen que el aire no puede ser mezclado con el combustible lo bastante rápido para quemarlo. Eso le pone límite a qué tan rápido pueden volar los motores de aire y sugiere que necesitarán depender de la potencia de un cohete para tener ese último empujón hasta la órbita.

Los cálculos aproximados para el límite de la velocidad de los scramjets, por ejemplo, van desde Mach 12 a Mach 20 (depende en gran parte del tipo de combustible usado), dice Mark Lewis, ingeniero aeroespacial en la University of Maryland en College Park. Todavía se queda corto para el Mach 25 necesario para llegar a la órbita y significa que vuelos de scramjet comenzarán y terminarán con una fase de cohete.

¿Cuál es el enfoque de Skylon?

El motor propuesto de Skylon usa un intercambiador de calor para enfriar el aire entrante desde 1.000°C a Mach 5 hasta menos de -100°C. Una vez enfriado, el aire es mezclado con hidrógeno líquido y quemado.

A diferencia de los scramjets, Skylon está diseñado funcionar en modo aire directamente desde el lanzamiento a una velocidad de Mach 5,5. A una altitud de 26 kilómetros, el motor cambiaría a la potencia convencional de cohete y usaría el oxígeno a bordo para propulsar el avión hacia el vacío.

"Es un concepto bastante único", dice Mark Hempsell, director de futuros programas en Reaction Engines. "Creo en este momento que es la única manera objetiva de hacer aeronaves que vayan al espacio".

El diseño debería ser suficiente para suministrar energía a un avión de 43 toneladas que puede llevar 12 toneladas de carga útil hasta una órbita terrestre baja, más o menos la mitad de lo que el trasbordador espacial puede llevar, dice la firma.

¿Qué tan avanzada está la tecnología?

Los motores de aire hipersónicos más mejor desarrollados son unos pequeños que son adaptados fácilmente para actuar como propulsión en sistemas de misiles.

Dos de los vuelos de aeronaves de aire hipersónicas más largos y más rápidos registrados fueron hechos por el X-43 de la NASA, un vehículo de 5 metros de largo, propulsado por un scramjet que realizó dos vuelos que duraron unos 10 segundos en Mach 7 y Mach 10 en 2004.

Pero eso podría cambiar pronto. Más tarde, en 2009, la fuerza aérea de Estados Unidos planea empezar los vuelos de prueba de un scramjet llamado X-51. Un reactor de bombardero B-52 será usado para llevar el vehículo a una altura de 15 km, donde será soltado y volará 4 a 5 minutos, a Mach 6.

Dada la variedad de opciones, ¿cuál es el mejor motor para usar?

"Como con todas estas cosas, el diablo está en los detalles", dice Aaron Auslander, experto en propulsión del Langley Research Center en Hampton, Virginia, de la NASA.

Puede haber maneras múltiples de llegar hasta la órbita. Escoger el mejor diseño requiere un mejor conocimiento de qué tan rentables y seguros serán los vehículos, dice Auslander.

"Pienso que todos enfoques están sobre la mesa", dijo Lewis a New Scientist. Reaction Engines está "mirando una posible combinación del sistema de motor, y realmente hay una gama mucho más amplia de opciones que necesitamos analizar antes de saber qué poner en órbita", añade.

Porque los scramjets podrían funcionar sobre una gama más amplia de velocidades, posiblemente hasta Mach 20, dice Lewis, podrían ser la elección más efectiva: "Cuanto más lejos uno pueda llegar en la átmosfera, mayor será la ventaja".

Pero porque los scramjets necesitan un cohete de lanzamiento, y los cohetes aceleran demasiado rápido para tener neumáticos, un avión scramjet tendría que despegar verticalmente o sobre alguna clase de sistema de rieles, dice Lewis.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard