Michael Hood, Reaction Engines Ltd
Diseñar y construir un sistema de pruebas para validar la tecnología habilitadora para el motor de avión más poderoso y avanzado del mundo.
Usar LabVIEW y NI CompactDAQ para crear un banco de pruebas que es tanto escalable como flexible en su implementación y permite que todos los datos de pruebas se vean simultáneamente y se registren a alta velocidad para análisis posterior.
Un avión que despega de una pista, viaja hasta el borde de la atmósfera terrestre, entrega su carga o incluso viaja al espacio, luego regresa a la Tierra y aterriza en la misma pista de la que despegó. Suena a ciencia ficción, pero Reaction Engines Limited (REL) ha sentado una base sólida para hacer de esto una realidad en un futuro no muy lejano.
Los actuales sistemas de propulsión espacial basados únicamente en la tecnología de cohetes imponen límites al rendimiento de los vehículos de lanzamiento, lo que conduce a configuraciones de vehículos de varias etapas que son prescindibles o parcialmente reutilizables. Esto da como resultado sistemas de lanzamiento complejos que requieren alto mantenimiento y son costosos de operar. El avión espacial Skylon de REL, un vehículo de lanzamiento de una sola etapa totalmente reutilizable, aborda estos inconvenientes y podría revolucionar el futuro acceso al espacio, proporcionando operaciones de lanzamiento más eficientes y confiables.
El sistema de propulsión es fundamental para su diseño, lo impulsa desde un lanzamiento de pista horizontal hasta la órbita terrestre (hasta 600 km). El Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) es un nuevo tipo de motor de cohete que incorpora elementos de un motor a reacción en su diseño. El SABRE, y en particular su avanzada tecnología de intercambiador de calor, proporciona un gran avance en la propulsión como el de la invención del motor a reacción, que convierte a los vehículos de lanzamiento de múltiples etapas en una tecnología heredada. La pionera tecnología de motor de REL ofrece una fiabilidad muy mejorada, una reducción de diez veces en el costo y un acceso receptivo al espacio. Las misiones espaciales ya no tardarán meses o incluso años en planificarse. El avión espacial Skylon de REL puede despegar y aterrizar desde una pista, lo que significa que se puede realizar una misión espacial tan fácilmente como un vuelo comercial.
Los planes para el avión Skylon aún están en sus primeras etapas, pero la tecnología que proporciona la increíble relación impulso-peso necesaria para acelerar el avión a Mach 5.5 dentro de la atmósfera (más de cinco veces la velocidad del sonido y más del doble de la velocidad del avión de respiración de aire más rápido del mundo, el Blackbird) y a Mach 25 para salir de la atmósfera ya está en etapa avanzada. Mientras que los motores de cohetes convencionales requieren grandes cantidades de oxígeno líquido como combustible, el motor SABRE aprovecha el oxígeno de la atmósfera a su alrededor, lo que reduce el oxidante necesario en más de 250 toneladas. Una vez fuera de la atmósfera, la fase de cohete requiere oxígeno a bordo. Durante el despegue y el ascenso inicial, el motor SABRE funciona en modo de motor a reacción para poder utilizar el oxígeno del aire. Antes de la revolucionaria tecnología de REL, esta configuración no era posible. A medida que aumenta la velocidad de consumo de aire, también aumenta la temperatura de consumo de aire. En el momento en que viaja a Mach 5.5, la temperatura de consumo de aire es de alrededor de 1000 ⁰C. A esta temperatura, los motores a reacción convencionales no pueden operar ya que los materiales comienzan a fallar y el aire no se puede comprimir de manera efectiva. La solución de REL a este problema es super enfriar el aire de 1000 ⁰C a temperaturas criogénicas (-150 ⁰C) en menos de una centésima de segundo con un pre-enfriador. El peso de vuelo es el punto en el que el rendimiento de un componente justifica su peso. El pre-enfriador requirió el desarrollo de una nueva generación de intercambiadores de calor que no solamente pueden transferir 400 MW de calor, sino que también pueden hacerlo con el peso de vuelo (es decir, 100 veces más ligeros que los intercambiadores de calor convencionales). Esta miniaturización de un intercambiador de calor se puede comparar con la miniaturización de la tarjeta de circuito electrónico al microchip.
Para validar la tecnología del pre-enfriador, REL construyó y probó una sección representativa de un pre-enfriador de tamaño completo. La compañía construyó este módulo de pruebas a partir de unos 27 km de tubos de 1 mm de diámetro con un grosor de pared inferior al de un cabello humano. Dentro del pre-enfriador, el aire pasa por estos tubos y transfiere su calor al fluido refrigerante que corre a través de los tubos. La construcción de este módulo de pre-enfriador demostró que se podía lograr ingeniería precisa, incluyendo la unión de los tubos de 1 mm con más de 15,000 uniones soldadas con precisión.
Después de demostrar la tecnología de fabricación, la siguiente tarea fue comprobar que el pre-enfriador era un intercambiador de calor eficiente y lo suficientemente robusto para su desafiante entorno operativo. Esto requirió demostrar el pre-enfriador en flujos de aire de operación real y condiciones criogénicas. Los flujos de masa de aire requeridos son inmensos y no se pueden generar con ventiladores eléctricos. En lugar de un ventilador eléctrico, un motor a reacción Viper 522 extrajo la masa de alto flujo de aire a través del pre-enfriador. En el motor SABRE real, el hidrógeno líquido proporciona el enfriamiento, pero para simplificar las condiciones de la prueba, el nitrógeno líquido sustituyó al hidrógeno líquido como fuente de enfriamiento.
En el motor SABRE hay muchas complejidades para pasar el hidrógeno líquido a través del pre-enfriador, por lo que un circuito secundario de enfriamiento de helio intercambia el calor entre el pre-enfriador y el hidrógeno líquido. De manera similar, en el equipo de pruebas, un circuito secundario de enfriamiento de helio intercambia el calor entre el pre-enfriador y el nitrógeno líquido. Aunque el equipo de pruebas solo representaba una fracción del pre-enfriador SABRE, el calor transferido era tal que se desbordaba una tonelada de nitrógeno líquido cada cinco minutos.
Equipamos todo el sistema de pruebas utilizando el software de desarrollo de sistemas NI LabVIEW y el hardware de medidas NI CompactDAQ. La naturaleza modular de la plataforma NI CompactDAQ nos ayudó a personalizar de manera rápida y fácil nuestro sistema de adquisición de datos para la tarea en cuestión. Usamos una combinación de módulos analógicos y digitales para recibir una variedad de señales, incluyendo velocidad del motor, aire y temperaturas de componentes, así como presión y flujo de aire en todo el sistema. El sistema de adquisición de datos tenía que manejar una amplia variedad de señales, por ejemplo, temperatura que variaba desde
-196 ⁰C a 1000 ⁰C y presiones desde vacío hasta 250 bar.
Por razones de seguridad, los técnicos no pueden estar muy cerca del sistema de pruebas durante la prueba. Usamos controladores NI-DAQmx flexibles para que los dispositivos de adquisición se pudieran usar en una variedad de buses de comunicación con la misma interfaz de programación de aplicaciones. Para el diagnóstico principal del pre-enfriador, usamos un chasis local NI cDAQ-9188 de 8 ranuras que se comunica a través de Ethernet. Usamos un chasis NI cDAQ-9174 de 4 ranuras que se comunica a través de USB, ubicado dentro del cuarto de control, para interactuar con el sistema de control de la planta.
LabVIEW nos ayudó a unir todos los componentes del sistema en una sola aplicación. El NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module proporcionó una perfecta integración con un PLC Mitsubishi, que controlaba el sistema y también ayudó al desarrollo de la interfaz de usuario SCADA. El equipo aprovechó las flexibles herramientas de desarrollo de la IU que ofrece LabVIEW para crear una interfaz de usuario muy grande, que abarcaba cuatro monitores y mostraba más de 150 señales en 28 gráficas en vivo. La información mostrada se agrupa de manera lógica, donde una pantalla muestra los datos del pre-enfriador, otra muestra el ciclo de helio, otra muestra el control de escarcha y la cuarta muestra los diagnósticos del aire. Con esta variedad de gráficas en vivo, nuestros ingenieros pudieron monitorear una gran cantidad de información durante la prueba.
Todos los datos adquiridos requerían un análisis exhaustivo y era importante que los datos se registraran en un archivo. Para alcanzar las increíblemente rápidas velocidades de escritura, necesarias para capturar todos los datos, incorporamos NI Technical Data Management Streaming (TDMS). Solamente aprovechamos una pequeña fracción de la velocidad de escritura máxima para TDMS de 400 MB/s, pero a medida que nos expandimos para probar sistemas más grandes e integrar otras tecnologías, tenemos la seguridad de que nuestra aplicación de software tiene la capacidad para adaptarse.
La Agencia Espacial Europea ha evaluado el intercambio de calor del pre-enfriador de los motores SABRE en nombre de la Agencia Espacial del Reino Unido y ha validado oficialmente los resultados de las pruebas. Ahora que el pre-enfriador se ha validado con éxito, podemos reconfigurar el banco de pruebas para probar otros sub-ensambles antes de unir todos los subsistemas en un motor SABRE de demostración de tamaño completo para comenzar las pruebas en tierra.
Con la flexibilidad de LabVIEW, todos los componentes existentes se pueden reutilizar en el nuevo sistema y podemos reescribir el software para los nuevos requisitos. Algunas de las señales se pueden reasignar y el sistema se puede mejorar con hardware adicional, lo que ahorra el tiempo y el costo de comprar un nuevo sistema.
Skylon, con sus motores SABRE, está en camino hacia el acceso al espacio comercialmente viable del siglo XXI. Hemos demostrado con éxito la nueva tecnología clave, el pre-enfriador y el trabajo se está intensificando para llevar el desarrollo a las siguientes etapas de las pruebas de integración del sistema. LabVIEW ha sido una herramienta de desarrollo integral para las pruebas del pre-enfriador y se utilizará para sistemas de pruebas de desarrollo posteriores.
Michael Hood
Reaction Engines Ltd
D5 Culham Science Centre, Abingdon
Oxon OX14 3DB
Reino Unido
mike-hood@reactionengines.co.uk