La Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de Estados Unidos acaba de dar el visto bueno a 4 contratistas para desarrollar el sistema combinado avanzado de propulsión Vulcan para vuelos hipersónicos. Las cuatro compañías escogidas después de un periodo de 8 meses fueron: Alliant TechSystems, General Electric, Rolls Royce y United Technologies.

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El sistema de propulsión Vulcan integrará una turbina de jet convencional que funcionara cuando el aparato vuele a bajas velocidades con un motor de combustión de volumen constante (CVC) el cual se desempeña con gran eficiencia a altas velocidades. La combinación le permitirá al aparato alcanzar inicialmente una velocidad supersónica de hasta Mach 4 momentos a partir del cual los propulsores hipersónicos pueden entrar en funcionamiento. El objetivo final de DARPA es diseñar, construir y volar vehículos hipersónicos basados en turbinas y reutilizables capaz de velocidades de hasta Mach 6 o más.

Los contratistas usaran una turbina jet ya en producción que sea capaz de operar a velocidades superiores a Mach 2 tales como el F-100-229 de Pratt&Whitney (Usado en el F-16 y el F-15), el F-119 (F-22A) y el F110-129 de General Electric (También usado en el F-15 y el F-16). La esperanza es que usar motores jet convencionales probados capaces de volar a velocidades supersónicas permitirán el ahorro de mucho tiempo y dinero, un enfoque opuesto al de otros programas similares que buscaron desarrollar un nuevos sistemas de propulsión convencional totalmente autónomo para usar en sistemas de ciclo mixto de vuelo hipersónico.

El contratista ganador podrá escoger a partir de varias arquitecturas de propulsores distintas para el sistema CVC, tales como propulsores de detonación de pulso, motores de detonación continua u otras arquitecturas en estudio para el CVC. En términos simples, se podrá escoger entre diversa arquitecturas CVC que empleen el principio del “Ciclo Otto”, el cual quema combustible a volumen constante con el empuje generado por el incremento en la presión. En contraste esta el convencional “Ciclo Brayton” de los motores jet convencionales en donde el combustible se quema a presión constante y emplea el volumen que se expande rápidamente para generar el empuje.

DARPA cree que es posible tomar ventaja de las fortalezas de desempeño de cada tipo de ciclo de tal forma que se logré un desempeño general sumamente notable y un 30-35% de incremento en la eficiencia del combustible, usando un enfoque mixto de “ciclo Humphrey). El programa Vulcan está contemplando varios diseños posibles de turbinas y propulsores CVC desde los de tipo de “ruta de flujo doble” hasta los sistemas “anulares” que comparten una entrada común de aire fija y una tobera de escape.

La idea es usar motores jet convencionales para el despegue, de ahí emplear los propulsores combinados para ganar velocidad y finalmente cambiar a la propulsión CVC/Scramjet durante el vuelo hipersónico arriba de Mach 4. A esas velocidades, la turbina convencional deberá ser “sellada” con el fin de proteger sus componentes de las altas temperaturas y presiones generadas durante los vuelos a velocidades hipersónicas en la atmosfera. Además los vuelos en las regiones atmosféricas colindantes con el espacio exterior contribuirán a añadir más complicaciones, incluyendo la necesidad de combustibles criogenicos, materiales que sean capaces de soportar el amplio rango de condiciones ambientales extremas durante el vuelo y la reentrada y propulsores que cuenten con rangos de rendimiento aun mayores.

La fase 1 del programa Vulcan involucra definición de conceptos. Su elemento más critico lo constituyen los planes de desarrollo de tecnologías, diseñados para reducir el riesgo técnico considerable inherente en cualquier proyecto de DARPA. Los principales retos técnicos claves incluyen los sistemas de control, los sistemas de manejo térmico, toberas más eficientes, sistemas de arranque eficientes, baja pérdida total de las válvulas de presión de aire, baja pérdida total de las válvulas de presión de aire y baja pérdida de presión total de los dispositivos de detonación de inicio entre otros.

A pesar de estas dificultades, DARPA está animada por los avances recientes en tecnología de ignición de hidrocarburo líquido/detonación de aire, baja pérdida de presión total de los dispositivos de detonación de transición, válvulas de aire, toberas y modelado por computadora ademas de técnicas de medición.

DARPA usará los resultados de la primera fase del programa Vulcan para efectuar decisiones con respecto a las fases futuras.

Estas pueden incluir una segunda fase de 18 meses para realizar pruebas de reducción de riesgos de componentes a escala total, la cual podría concluir con una revisión preliminar del diseño del motor de demostración CVC. Una tercera fase podría incluir 18 meses adicionales para realizar un diseño detallado, fabricación y demostración de un sistema de propulsión CVC para finalizar con una cuarta etapa de 18 meses en la cual se construirá el sistema Vulcan completo.

DARPA tiene la esperanza que el sistema de propulsión Vulcan se pueda integrar en el vehículo HTV-3X FALCON/Blackwing de tal manera que sirva como base para el diseño y construcción de futuros vehículos capaces de volar a velocidades crucero hipersónicas.

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