Motores a Reacción
Por Gizmo
Motor a reacción J85,
con post-combustión
Porqué un motor a reacción
El aire, a bajas velocidades,
podemos considerarlo incompresible. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad,
y aproximadamente a mach 0.5 (la mitad de la velocidad del sonido), empiezan a
aparecer fenómenos “de compresibilidad”, y ya no podemos considerar el aire
como un fluido de densidad constante.
Al ir aumentando la velocidad, llegaremos a lo que se conoce como Mach
crítico. No es necesario volar a velocidad supersónica para que exista
aire, en alguna parte en torno al aparato, circulando a la velocidad del
sonido. Recordemos que el avión vuela puesto que el aire que circula por la
parte superior del ala lo hace más rápido que el que circula por debajo,
generando una diferencia de presiones, cuya resultante de fuerzas se traduce en
sustentación, y resistencia inducida. Así pues, el Mach crítico se define como
el mach de vuelo (la velocidad de vuelo del avión dividida por la velocidad del
sonido en la región en la que se encuentra volando el avión), en el que en
algún punto de los alrededores del avión existe aire en régimen sónico. Esto
causa la aparición de ondas de choque, que a su vez causan un aumento
importante de la resistencia aerodinámica, y que la sustentación también caiga.
Bien, si este fenómeno aparece sobre el ala, es de
imaginar que aparecerá mucho antes sobre la hélice, pues además de llevar la
velocidad de vuelo del aparato, tiene la suya propia por encontrarse girando.
La composición de velocidades, hace que la velocidad de los elementos de la
hélice sea mucho mayor que la de vuelo del avión. Así pues, si aparece el
fenómeno del Mach crítico en la hélice, al aumentar la resistencia, aumenta la
potencia necesaria para moverla, y por otro lado al disminuir la sustentación
de cada elemento de pala de la hélice (imaginaros la pala de la hélice cortada
en rebanadas muy finas), la hélice proporciona menos tracción, y deja de ser
eficiente.
Después de esto comprendemos que los aviones equipados
por hélice están limitados en su velocidad máxima precisamente por el
propulsor... Así se explica que los aviones convencionales más rápidos no
pasaran de unos 700km/h, y que el caza experimental XP-47J se quedara en unos
“escasos” 813km/h. Así pues... ¿si queremos volar más rápido? Entonces
necesitaremos otro sistema moto-propulsor.
XP-47J
Motores a reacción
La idea de la propulsión “a chorro” no es nueva. Ya Herón
de Alejandría hizo un “juguete” propulsado por gases saliendo a “altas”
velocidades escapando por unas toberas. Si expulsamos un gas a alta velocidad
en un sentido, nuestro vehículo se desplazará en el contrario.
La propulsión a chorro se emplea sobre todo en aviones de
alta velocidad, o en cohetes, o en misiles... Y según la zona de vuelo y la
velocidad que vaya a alcanzar el “cacharro” que lo monta, es más adecuado uno u
otro motor...
El combustible es quemado, es decir, oxidado. El
oxidante, puede ser el oxígeno procedente de la atmósfera, o bien puede ser
proveniente de tanques especiales. Dentro de estos primeros encontramos el
estato-reactor, el pulso-reactor, el turbo-reactor, el turbo-fan, los
turbo-hélices y turbo-ejes. Los segundos, los componen los motores cohete.
La fuerza que hace este motor es... F=G·(Vs-V0)+As·(Ps-P0)
Donde G es el gasto másico, es decir, el aire que entra al motor por unidad de
tiempo y puede obtenerse como G=roVA, siendo “ro” la densidad del aire, “V” la
velocidad de vuelo del aparato, por tanto la velocidad a la que entra el aire
en la tobera y “A” el área de entrada. “As” es el área de salida de la tobera e
incremento de “P” es el incremento de presión. Dado que casi siempre se usan
toberas adaptadas, este último término es cero.
Estato-reactor
Estatorreactor -
Grafico original de esta pagina
Es el tipo de motor a reacción más simple de todos.
Consiste en una tubería hueca. Según sea para vuelo subsónico o supersónico
será como la que se muestra arriba (divergente-convergente) o
convergente-divergente (similar a un tubo Venturi). Compone tres partes, la
entrada es el difusor, que hace que
baje la velocidad del aire e incremente su presión. En la parte central se
encuentra la cámara de combustión, donde este aire a alta presión se mezcla con
el combustible y donde se produce el encendido de la mezcla. La última parte es
la tobera, en la que los gases pierden presión y ganan velocidad. Como norma
general, se emplean lo que se denominan “Toberas adaptadas”, es decir, la
presión de los gases es igual a la presión atmosférica. Para que este motor
funcione, el vehículo debe encontrarse ya en movimiento, así que suelen ser
aviones lanzados desde otros aviones, o bien misiles... Este motor no tiene
utilidad fuera del mercado militar o aviones de investigación.
Pulso-reactor
Este sistema de propulsión es similar al anterior, y fue
utilizado de forma operativa, en la V1. En el artículo sobre la V1 explico como
funciona... y dice así:
«El sistema de propulsión consistía en un motor del tipo
llamado “pulso-reactor”, formado por un tubo de acero soldado, que componía el
difusor, cámara de combustión y tobera, de 3.35m de longitud.
A la entrada del tubo (difusor) se encontraba una válvula
de persiana y nueve inyectores de combustible. La velocidad de avance hacía que
la válvula se abriera, entrando aire en la cámara de combustión, en la cual era
inyectado el combustible. La presión inicial de la combustión hacia que la
válvula de no-retorno se cerrara, así que el aire se expandía a través del tubo
y era expulsado a gran velocidad a través de la tobera de salida,
proporcionando la propulsión a chorro. La inercia de los gases escapando
reducía la presión en la cámara de combustión, que era alimentada con butano,
el cuál era encendido por una única bujía que se mantenía en funcionamiento
hasta que la temperatura de las paredes de la cámara de combustible era
suficientemente alta como para permitir el auto-encendido. La bajada de presión
en la cámara de combustión provocaba la apertura de la válvula y se comenzaba a
repetir el proceso. Esto se realizaba entre 40 y 45 veces por segundo (y daba a
este motor su característico sonido, por el que los aliados la conocieron como
la Buzz-bomb, impulsando a la bomba a una velocidad que variaba entre 624 y
656km/h. La riqueza de la mezcla aire-combustible se mantenía en la proporción
adecuada con respecto a la velocidad de vuelo y la altitud (es decir, respecto
a la densidad del aire) gracias a un mecanismo de compensación regulado por un
tubo pitot.»
Pulso reactor -
Grafico original de esta pagina
Turborreactor
Al comienzo de emplear los motores a reacción, los más
empleados fueron los turborreactores, reemplazados finalmente por los
turbofanes, por ser éstos últimos motores de menor consumo, para un mismo
empuje. El funcionamiento es similar a los anteriores, pero con algunos
elementos diferenciadores. Además del difusor, cuenta con un compresor
mecánico, que puede ser bien de tipo axial o centrífugo. Los axiales, son los
más utilizados hoy en día. Consisten en una serie de “anillos” de álabes, unos
móviles y otros fijos, intercalados, que forman el compresor, girando los
móviles solidariamente. Cada par de “anillos” fijo y móvil forma un escalón del
compresor. Unos serán álabes de estator y otros de rotor. En ocasiones existe
más de un compresor, siendo denominado el más próximo a la entrada de gases “de
baja” (presión) y el más cercano a la cámara de combustión “de alta” presión.
En un compresor axial de 15 escalones podríamos aumentar la presión 24 veces.
Una vez comprimido el aire, se le hace pasar a la cámara
de combustión, que a su vez puede ser de diversos tipo. En la cámara de
combustión se mezcla con el combustible pulverizado y se quema. Cuanto mayor
fuera la temperatura alcanzada, mayor sería el rendimiento y la potencia del
turborreactor. Sin embargo esta temperatura está limitada (1100ºC máximo,
aproximadamente) por los materiales que usamos en construir la cámara, y los
elementos posteriores que han de atravesar los gases a alta velocidad y temperatura.
A continuación los gases atraviesan la turbina, de
composición similar al compresor, compuesta también de escalones, álabes de
estator y de rotor... El movimiento de rotación que le imprimen los gases es el
que arrastra al compresor.
Finalmente, los gases pasan por la tobera de escape, que
tiene la función contraria al difusor. En la tobera, los gases intercambian
presión por velocidad, siendo acelerados. Las toberas suelen estar adaptadas,
siendo la presión de salida igual a la atmosférica, entre otras cosas, hace que
la expulsión de gases sea más silenciosa (si se formara una onda de choque a la
salida, el ruido sería mayor).
Puesto que el compresor es arrancado por la turbina,
estos tipos de motores han de ser arrancados con una Unidad Auxiliar de
Potencia (APU) que iniciará el giro del compresor.
Cuanto mayor es la densidad del aire quemado, mayor es la
potencia dada. Así pues, en días de calor, en los que el aire es menos denso,
la potencia sería menor. Eso mismo ocurre también con la altitud. A mayor
altitud, menor densidad de aire. Así pues el techo operativo del avión viene
marcado por su motor.
Como sistemas de aumento de potencia, podríamos mencionar
la inyección de agua en la cámara de combustión (aumenta la densidad) o el
sistema militar de aumento de potencia por excelencia: el post quemador. Este
“cacharro” no es más que un dispositivo para quemar combustible en el aire que
sale de la turbina, aumentando el empuje de una forma considerable... pero
triplicando el consumo. Por tanto el post quemador se utiliza exclusivamente en
situaciones puntuales (pistas cortas de despegue, despegues de urgencia y desde
portaaviones, combate...)
Turbofan
Se le conoce también como turborreactor
de doble flujo. Para aumentar la eficiencia de los reactores, y conseguir el
mismo empuje con menor gasto de combustible, nacieron los turbofanes o
turboventiladores. El funcionamiento es el mismo, solo que existe un flujo
adicional de aire que pasa por fuera del motor, es decir, no se quema, y
aumenta el empuje del motor. Se define el índice de derivación como el cociente
del gasto másico de aire (kg aire/segundo) que pasa por fuera de la cámara de
combustión entre el gasto másico del aire que atraviesa la cámara de
combustión. Según este índice, existen los motores de alto y de bajo índice de
derivación, siendo cada uno de ellos más apto para un rango de velocidades.
Turbohélice y
turboeje
El funcionamiento es idéntico a
los anteriores. La diferencia es que en vez de usarse los gases para propulsar
a chorro el aparato, se usan para mover una hélice (los gases que mueven la
turbina del compresor, mueven también una turbina que mueve la hélice). Los
gases proporcionan algo de empuje extra, en algunos casos, siendo la tracción
proporcionada por la hélice.
El turbo eje es idéntico al
turbohélice, pero en vez de llevar acoplada la hélice, se une el eje a una caja
reductora y una serie de engranajes, para transmitir el movimiento a la hélice
del helicóptero.
Motor de helicóptero de flujo inverso, modelado por Javier
Camacho en 3D-Studio
El motivo de esta diferencia de
motores, pese a funcionar todos de una forma similar, es debido a que cada uno de
ellos proporciona un mejor rendimiento moto-propulsor en un determinado rango
de velocidades. El turbohélice ha sustituido al motor alternativo (de pistones)
para aviones de hélice de gran potencia, pues para una misma potencia pesa
mucho menos. ¿Por qué no equipar entonces a los aviones más pequeños de
turbohélice en lugar de motores alternativos? Una vez más entran en juegos los
rendimientos del motor, y la dificultad de fabricar turbohélices eficientes de
un tamaño tan pequeño.
Motor Cohete
Motor cohete - Grafico original de esta pagina
En este caso, no existe toma de
aire para producir la combustión. Tanto el combustible como el comburente (el
oxidante) van almacenados en el avión y se suministran al motor. La no
dependencia del oxígeno del aire para producir la combustión, les convierten en
únicos para los viajes espaciales. Es un motor relativamente simple, contando
en principio solo con la cámara de combustión y la salida de gases. Ahora bien,
hay que almacenar el combustible y el comburente, y aquí ya entramos en el tema
de cohetes de propergoles sólidos y líquidos, y su forma de almacenaje. Puesto
que el objeto de esta página solo es dar unas nociones básicas de cómo
funciona, y eso ya está hecho, no entraré en más detalle. Quien quiera saber
más, puede consultar bibliografía especializada.
Historia
El principio de la propulsión a
chorro se conoce desde hace siglos, aunque su empleo para propulsar vehículos
que transportan cargas es relativamente reciente. El primer motor a reacción
que se conoce fue un dispositivo experimental de vapor desarrollado alrededor
del siglo I dC. por el matemático y científico griego Heron de Alejandría.
Conocido como eolípilo, el aparato de Heron no realizaba ningún trabajo
práctico, aunque demostraba que un chorro de vapor expulsado hacia atrás
impulsa al generador hacia delante. El eolípilo era una cámara esférica a la
que se suministraba vapor desde un soporte hueco. El vapor podía escapar por
dos tubos curvos situados en lados opuestos de la esfera, y la reacción a la
fuerza del vapor expulsado provoca el giro de la esfera.
El desarrollo de la turbina de
vapor se atribuye al ingeniero italiano Giovanni Branca, que en 1629 dirigió un
chorro de vapor contra una turbina que a su vez impulsaba una troqueladora. La
primera patente registrada para una turbina de gas la obtuvo en 1791 el
inventor británico John Barber.
En 1910, siete años después de
los primeros vuelos de los inventores estadounidenses Orville y Wilbur Wright,
el científico francés Henri Marie Coanda diseñó y construyó un biplano con
propulsión a chorro, que despegó y voló por sus propios medios, pilotado por el
propio Coanda. Sin embargo, desalentado por la falta de aceptación pública de
su avión, Coanda abandonó sus experimentos.
Durante los 20 años siguientes,
la turbina de gas se fue perfeccionando. Uno de los resultados de los trabajos
experimentales de aquel periodo fue la construcción en 1918 de un
turbocompresor para motores aeronáuticos convencionales, impulsado por una
turbina movida por los gases de escape. En los primeros años de la década de
1930, numerosos ingenieros europeos obtuvieron patentes de turbinas de gas. El
diseño patentado por el ingeniero aeronáutico británico Frank Whittle en 1930
suele considerarse como el primer esbozo práctico de la turbina de gas moderna.
En 1935, Whittle aplicó su diseño básico al desarrollo del turborreactor W-1,
que en 1941 realizó su primer vuelo.
Entretanto, el ingeniero
aeronáutico francés René Leduc había mostrado en París (en 1938) un modelo de
estatorreactor. El ingeniero alemán Hans Pabst von Ohain diseñó un
turborreactor de flujo axial, y un avión propulsado por este motor realizó su
primer vuelo en 1939, el Heinkel He 178. El año siguiente, bajo la dirección
del ingeniero aeronáutico Secundo Campini, los italianos desarrollaron el
Caproni-Campini. Su motor era algo parecido a un turbo-reactor, solo que el
compresor iba movido por un motor de pistón de 9 cilindros normal y corriente.
El resultado fue desastroso, no alcanzado apenas los 300km/h. El primer avión a
reacción estadounidense, el Bell XP-59, estaba impulsado por el turborreactor
I-16 de General Electric, una adaptación del diseño de Whittle realizada en
1942.
El pulsorreactor fue
desarrollado por el ingeniero alemán Paul Schmidt a partir de un principio
descrito por primera vez en 1906. Schmidt obtuvo su primera patente en 1931. El
misil V-1, que voló por primera vez en 1942, estaba propulsado por un
pulsorreactor. A mediados de la década de 1940 también tuvieron lugar los
primeros vuelos comerciales con turbohélice. En 1947, el avión experimental
X-1, propulsado por un motor cohete de cuatro cámaras con combustible líquido y
transportado por un bombardero hasta la estratosfera para su lanzamiento, fue
el primer avión pilotado en romper la barrera del sonido. Posteriormente, el
avión experimental Douglas Skyrocket, propulsado por un reactor además de un
motor cohete de combustible líquido, rompió la barrera del sonido a baja
altitud después de despegar por sus propios medios.
El primer reactor comercial, el
británico Comet, comenzó a volar en 1952, pero el servicio se suspendió después
de que en 1954 se produjeran dos accidentes graves, debido a un fenómeno
desconocido hasta ese momento: la fatiga de los materiales. Ese mismo año, en
Estados Unidos, el avión a reacción Boeing 707 se probó con fines comerciales.
En 1958 los vuelos regulares comenzaron.
El constante desarrollo de la
propulsión a chorro ha llevado a avances espectaculares en la aeronáutica: por
ejemplo, aviones pilotados capaces de alcanzar velocidades varias veces
superiores a la del sonido, misiles balísticos intercontinentales o satélites
artificiales lanzados por cohetes de gran potencia
(Esta Historia, aunque
fusilada vilmente de “El Rincón del Vago”, ha sido ligeramente
corregida por mí. El resto de las explicaciones son mías, salvo los gráficos,
que proceden o bien de esta web, o de las ya indicadas anteriormente, o cedidas
por un compañero: Javier Camacho).