Estudio sobre el Dispositivo de Gestión de Propulsantes para Vehículos de Experimento de Vuelo Supersónico de Pequeña Escala
Autores: Imai, Ryoji; Wada, Takuya
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Estudio sobre el Dispositivo de Gestión de Propulsantes para Vehículos de Experimento de Vuelo Supersónico de Pequeña Escala
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Comercializar
Supersónico
Hipersónico
Aeronaves de pasajeros
Naves espaciales reutilizables
Dispositivo de gestión de propulsante
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 39
Citaciones: Sin citaciones
Para comercializar aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos y naves espaciales reutilizables, estamos desarrollando un vehículo de experimento de vuelo supersónico a pequeña escala como un banco de pruebas volador para demostraciones técnicas en entornos de vuelo a alta velocidad. Este vehículo de experimento está equipado con un tanque de combustible y un tanque de oxidante, y los propulsores dentro de los tanques se agitan debido a los cambios en la aceleración durante el vuelo. En esta situación, existe un riesgo de arrastre de gas durante la descarga de líquido, lo que podría causar un mal funcionamiento del motor. Para evitar tal situación, consideramos instalar un dispositivo de gestión de propulsores (PMD) dentro del tanque para suprimir el arrastre de gas. En este estudio, se adoptó un PMD de tipo capilar con una estructura de canal de malla, comúnmente utilizado en satélites que no tienen partes móviles, debido a su aplicabilidad a un amplio rango de aceleración. El PMD fue diseñado con una estructura que presenta boquillas de malla cilíndrica instaladas en la parte superior e inferior de un tanque cilíndrico. Se desarrolló un modelo de análisis de flujo unidimensional teniendo en cuenta factores como la pérdida de presión a través de las mallas y la pérdida de flujo dentro de las boquillas de malla, lo que permitió identificar las condiciones bajo las cuales ocurría el arrastre de gas. En este modelo analítico, se desarrollaron formulaciones separadas utilizando las fórmulas de Hartwig e Ingmanson para evaluar las pérdidas de flujo a través de las mallas. Además, al aplicar el modelo de análisis de flujo, se seleccionaron las especificaciones de las mallas como parámetros clave del PMD, junto con el diámetro y la longitud de la boquilla. Además, fabricamos prototipos de PMD con cada boquilla y realizamos pruebas de visualización utilizando un tanque transparente. Las pruebas se llevaron a cabo en condiciones estáticas, donde una aceleración gravitacional actuaba hacia abajo, y se investigaron los efectos de la longitud de la malla cilíndrica y la tasa de flujo de descarga sobre la altura de la superficie libre en la que ocurría el arrastre de gas. Este experimento demostró la efectividad del mecanismo de adquisición de propulsores del PMD actual. La altura de la superficie libre también se comparó con los resultados experimentales y analíticos, y se mostró que los resultados obtenidos utilizando la fórmula de Ingmanson para la pérdida de presión a través de la malla eran más cercanos a los resultados experimentales. Estos hallazgos demostraron la validez del modelo de análisis de flujo unidimensional.
Descripción
Para comercializar aviones de pasajeros supersónicos e hipersónicos y naves espaciales reutilizables, estamos desarrollando un vehículo de experimento de vuelo supersónico a pequeña escala como un banco de pruebas volador para demostraciones técnicas en entornos de vuelo a alta velocidad. Este vehículo de experimento está equipado con un tanque de combustible y un tanque de oxidante, y los propulsores dentro de los tanques se agitan debido a los cambios en la aceleración durante el vuelo. En esta situación, existe un riesgo de arrastre de gas durante la descarga de líquido, lo que podría causar un mal funcionamiento del motor. Para evitar tal situación, consideramos instalar un dispositivo de gestión de propulsores (PMD) dentro del tanque para suprimir el arrastre de gas. En este estudio, se adoptó un PMD de tipo capilar con una estructura de canal de malla, comúnmente utilizado en satélites que no tienen partes móviles, debido a su aplicabilidad a un amplio rango de aceleración. El PMD fue diseñado con una estructura que presenta boquillas de malla cilíndrica instaladas en la parte superior e inferior de un tanque cilíndrico. Se desarrolló un modelo de análisis de flujo unidimensional teniendo en cuenta factores como la pérdida de presión a través de las mallas y la pérdida de flujo dentro de las boquillas de malla, lo que permitió identificar las condiciones bajo las cuales ocurría el arrastre de gas. En este modelo analítico, se desarrollaron formulaciones separadas utilizando las fórmulas de Hartwig e Ingmanson para evaluar las pérdidas de flujo a través de las mallas. Además, al aplicar el modelo de análisis de flujo, se seleccionaron las especificaciones de las mallas como parámetros clave del PMD, junto con el diámetro y la longitud de la boquilla. Además, fabricamos prototipos de PMD con cada boquilla y realizamos pruebas de visualización utilizando un tanque transparente. Las pruebas se llevaron a cabo en condiciones estáticas, donde una aceleración gravitacional actuaba hacia abajo, y se investigaron los efectos de la longitud de la malla cilíndrica y la tasa de flujo de descarga sobre la altura de la superficie libre en la que ocurría el arrastre de gas. Este experimento demostró la efectividad del mecanismo de adquisición de propulsores del PMD actual. La altura de la superficie libre también se comparó con los resultados experimentales y analíticos, y se mostró que los resultados obtenidos utilizando la fórmula de Ingmanson para la pérdida de presión a través de la malla eran más cercanos a los resultados experimentales. Estos hallazgos demostraron la validez del modelo de análisis de flujo unidimensional.