Pangea Aerospace and its historic aerospike engine

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Pangea Aerospace faces a major challenge, to be the best rocket engine manufacturer in the world. A challenge of a different magnitude than the mainstream of manufacturing a complete rocket. They sell their engines, one of the most complicated parts of a rocket to manufacture, to other companies. But this is not the only point where they go against the mainstream.

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What is an aerospike engine?

A conventional rocket engine uses a nozzle at bell shape. This engine component is an extension of the engine, a solid part that acts to direct the combustion gases from the engine. Generally made of materials that resist heat to extreme levels. It has various functionsthe main one, increase performance. It also serves to cool the engine and can help steer the vehicle.

However, the conventional nozzle has a rigid shape. This does not allow it to adapt to the different atmospheric pressures that a rocket passes through during its ascent.

In the aerospike engine this is turned around.. These engines eliminate the bell-shaped nozzle and instead discharge the combustion gases into a ramp. This ramp can have two shapes, which determines the type, linear or toroidal.

Comparacion Aerospikes
On the left the XRS-2200 linear aerospike developed by NASA at the end of the last century to power the Space Shuttle replacement. On the right is the J-2T, a toroidal nozzle derivative of the Saturn V J-2 engine also developed by NASA. Neither made it past the test phase. Source:NASA

In this case, Pangea chose the second option. This shape is reminiscent of an inverted cone. This design is even more complicated to cool than a linear aerospike.

And this brings you to the problems with these engines. In a world, aerospace, where every iota of performance is exploited. Why has the design of an engine type that increases its performance by around 20% never made it past the test stand?

Stand de pruebas
Image of the Pangea engine at the test stand. Source: Pangea

The problems

An aerospike engine faces a huge main problem that can lead to others: temperature.

NASA estimated that the J-2 engine used in the Saturn V with the toroidal nozzle would have about cooling requirements 15 times higher to the conventional one. Even so, they overcame the hurdle and the J-2 T is today considered the father of these engines.

But, what about thewhy is it so complicated cooling an aerospike? Because the area that is exposed to the maximum temperature inside a motor is at least doubled.

The section that withstands the maximum temperature is the throat of the engine. This is the point where the nozzle starts. Which is actually an extension of the engine that enhances its performance. Well, a conventional throat has only one outer perimeter.

The combustion gases are pushed through a narrower passageway for the sake of a simile. The heat only you It matters in the walls of the corridor because inside it you will not have any material, only the reaction mass.

But in an aerospike it changes. In these cases you have an inner and an outer perimeter. Although usually, as in the case of Pangea, there is only one inner perimeter. This is much larger than in conventional engines.

Generally, when it comes to dissipating thermal energy the larger the section is, the better. But here the situation is the opposite because the gas at extreme temperatures (for methane it can reach 5000 K) is pouring over the section to be cooled.

So, how have you prevented your engines from melting down in Pangea?

Well, they have two solutionswhich are not really new, but the way they are applied is new.. On the one hand, there is the use of materials very advanced and on the other the active fuel cooling. En efecto, ninguna de estas estrategias es nueva, de hecho, son empleadas de forma sistemática en cualquier motor cohete independientemente de si es aerospike o convencional.

La clave reside en utilizar la impresión 3D. La fabricación aditiva ha permitido a la empresa generar una serie de canalizaciones para el combustible de su motor que permite refrigerarlo suficientemente. No es la primera empresa que usa esta fabricación para sus motores, pero sí la primera que ha innovado en esta dirección.

Otro avance que han realizado es que han logrado refrigerar el motor con los dos combustibles (bio metano y oxígeno líquido) que emplea el motor. Una solución pionera en la historia y que han patentado ya.

Team aerospike scaled
Los fundadores junto con el motor de la compañía. Agradecimientos: Pangea Aerospace

El material de su motor proviene de una patente of the POT y se denomina GRCop-42. Esta aleación de cobre está especialmente diseñada para sobrevivir a las altas temperaturas que imperan en un motor. Cuenta con la ventaja de que se le puede dar forma mediante la fabricación aditiva. Además, la licencia de su uso en Europa está expedida en exclusiva a otra empresa española, Aenium.

Meso como un acelerador lateral
Imagen del aspecto a fecha de principios de 2023 del cohete Meso. Se aprecian anclajes laterales en la base y en lo alto, además de la ausencia de una cofia, lo que apunta a que los catalanes ya han pensado en utilizar su cohete como un acelerador lateral. Fuente: Pangea

Para este artículo conté con una muy interesante charla con el CEO de la empresa, Adrià Argemí Samsó. En ella hablamos de muchas cosas, una, lo complicado que es acceder a financiación en España, y Europa en general en comparación con Estados Unidos.

Pese a ello, la empresa ha logrado pelear contra los gigantes habituales de la industria europea para conseguir fondos. Y esos fondos los han invertido from manera very efectiva, en un puñado de años han logrado lo más difícil. Construir un motor aerospike pequeño.

Que es más complicado que construir uno más grande por el volumen de combustible empleado como refrigerante que circula por el motor.

Y no uno cualquiera, uno que no requiere de motores adicionales o sistemas RCS para ajustar la dirección del cohete. Sin embargo, no pudo detallar el sistema por motivos de confidencialidad.

Esta empresa rompe moldes en prácticamente cualquier dirección, sí, están desarrollando un cohete propio, llamado Meso. Pero su enfoque los lleva a vender motores.

Esto es algo inaudito en Europa, donde todas las empresas que han aparecido en el sector de lanzamientos espaciales tienen clara su ocasión de construir cohetes completos de forma interna. En el resto del mundo la tendencia es la misma, con una excepción, Ursa Major, esta empresa estadounidense también ofrece motores y otras piezas al resto de la industria, aunque estos motores son claramente inferiores a los que se propone construir Pangea.

Además de esta otra empresa, en España tenemos un gran ejemplo de especialización en el sector espacial. GMV construye sistemas de tierra y de vuelo con un éxito brutal a nivel mundial.

Pangeas team
Posado del equipo de Pangea Aerospace.

El futuro de Pangea pasa por construir una turbobomba. Esta pieza clave en la complejidad de un motor cohete les permitirá llegar a los empujes que aspiran, hasta 30 toneladas. Estos motores más grandes no serán combinables, es decir, aquellas empresas interesadas en lanzar el primer cohete aerospike de la historia no podrán optar a construir a rocket demasiado grande.

Probablemente en torno a una tonelada de carga a órbita baja terrestre. Puede que más, pero es complicado hablar de una tecnología que nunca ha ido al espacio, y las comparaciones o extrapolaciones son más difíciles aún.

Mientras tanto, sería igual de histórico que el interés mostrado por algunas empresas en sus actuales motores de 2,5 toneladas fructifique. Estos motores sí que serían combinables chocando con la doctrina de la empresa de emplear bloques monomotor, otra cuestión que los enfrenta a la tendencia general del resto de la industria en otro aspecto más.

Martin Morala Andres