Cómo funcionan los estatorreactores

Como cualquiera que se haya caído de barriga en un clavado alto puede decirte, cuando golpeas un fluido sin darle tiempo de apartarse, tiende a devolver el golpe. Los buzos superan a la física al dar un salto más aerodinámico, y los autos y aviones más rápidos lo hacen al lucir formas más aerodinámicas. Pero llega un punto, cerca de la barrera del sonido, donde la aerodinámica no es suficiente: una velocidad a la que el mismo aire que mantiene el avión en el aire comienza a golpearlo con una resistencia aparentemente insuperable, turbulencias que hacen rechinar los dientes y ondas de choque brutales. De hecho, muchos creían que esta barrera del sonido era irrompible hasta que, el 14 de octubre de 1947, el Bell X-1 propulsado por cohetes de Chuck Yeager demostró que estaban equivocados.

Pero, ¿y si pudieras convertir todo ese aire acumulado en tu beneficio? ¿Qué pasaría si, en lugar de agitarlo con hélices o quemarlo con cohetes, pudiera empaquetarlo en un tubo de forma especial, bombearlo con una explosión y dispararlo por una boquilla a velocidades supersónicas, todo sin partes móviles importantes? Tendrías un tipo muy especial de motor a reacción , un "tubo de estufa volador" apto para cortar el cielo a miles de millas por hora. Tendrías un estatorreactor .

Pero la aparente simplicidad del ramjet es engañosa; se necesita ingeniería aeronáutica de vanguardia, materiales modernos y fabricación de precisión para lograrlo, lo que explica en parte por qué una idea casi tan antigua como el vuelo propulsado se retomó y descartó repetidamente durante décadas antes de lograr un éxito limitado durante la Guerra Fría.

A diferencia de su principal competencia de velocidad, el cohete, que quema combustible utilizando oxidantes a bordo como nitrato de amonio, clorato de potasio o clorato de amonio, los estatorreactores respiran aire. Por lo tanto, mientras que los cohetes pueden operar casi en el vacío del espacio, los estatorreactores deben volar a través de la atmósfera. También deben hacerlo a velocidades muy altas, alrededor de Mach 2.5-3.0, o tres veces la velocidad del sonido, porque los estatorreactores funcionan aprovechando la presión del ariete, la compresión de aire natural provocada por la alta velocidad de un avión. En otras palabras, los estatorreactores hacen aliados de las mismas ondas de choque y fuerzas de compresión que alguna vez se opusieron al vuelo de alta velocidad; literalmente van con la corriente [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

Los estatorreactores son más eficientes en largas distancias que los cohetes, pero tienen una desventaja significativa: son inútiles a bajas velocidades. En consecuencia, dependen de cohetes propulsores u otros vehículos para ponerse al día. Los aviones estatorreactores autónomos suelen utilizar motores híbridos [fuente: NASA ].

Si esa explicación pasó volando a una velocidad supersónica, probablemente se deba a que nos saltamos muchas cosas geniales e interesantes. Veamos cómo se han desarrollado los motores a reacción para producir esta maravilla moderna.

Contenido

1. Detonaciones y Arribos
2. Estatorreactores, ¿Adelantados a su tiempo?
3. Estatorreactores: burlarse de Mach

Los jets funcionan con explosiones controladas. Eso suena extraño hasta que te das cuenta de que la mayoría de los motores de los automóviles también lo hacen: Aspira aire, comprímelo, mézclalo con combustible, enciéndelo y ¡bang! Has empujado un pistón . Pero mientras que los motores de gasolina y diésel implican una combustión cíclica o intermitente , los jets implican una combustión continua, en la que el combustible y el aire se mezclan y queman sin parar. De cualquier manera, quemar más caucho significa tragar más gasolina, y eso significa aspirar más oxígeno para obtener la mezcla correcta. Los autos mejorados hacen esto con supercargadores; en los motores a reacción, es más complicado [fuente: Encyclopaedia Britannica ].

El primer avión a reacción operativo entró en combate cerca del final de la Segunda Guerra Mundial utilizando motores turborreactores , un diseño simple pero ingenioso basado en el ciclo Brayton (o Joule ) : mientras el avión vuela, el aire fluye a través de una entrada hacia un difusor , una cámara que ralentiza el flujo de aire e inhibe las ondas de choque. Luego pasa a través de una serie de discos con aspas: rotores giratorios, que empujan el aire hacia atrás, y estatores estacionarios., que guían el flujo de aire. Juntos, actúan como un compresor que bombea presión dentro de las cámaras de combustión del jet. Allí, el combustible se mezcla con aire presurizado y se enciende, elevando las temperaturas en el rango de 1800-2800 F (980-1540 C) o más [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; krueger ; Spakovszky ].

La presión aumenta con la temperatura, por lo que esta explosión crea mucha fuerza sin nada que hacer más que buscar una salida rápida. A medida que el escape se dispara a través de la boquilla trasera, genera empuje para mover la aeronave. En el camino a esta boquilla, el escape también se dispara a través de una turbina conectada a los rotores por un eje de torsión. A medida que la turbina gira, transfiere energía a las paletas del compresor en el frente, completando el ciclo.

En aviones con turbopropulsores o helicópteros con motores de turboeje , las turbinas también transfieren potencia a una hélice o rotor de helicóptero a través de una serie de engranajes.

Los turborreactores tienen mucha potencia pero luchan a bajas velocidades. En consecuencia, en las décadas de 1960 y 1970, los aviones supersónicos bajos comenzaron a utilizar turboventiladores que la mayoría de los jets privados y aviones comerciales aún utilizan. Un turboventilador es el turducken de los motores, esencialmente un turborreactor envuelto en una cubierta más grande con un gran ventilador en la parte delantera. El ventilador aspira más aire, que luego el motor divide en dos corrientes: una parte del aire se mueve a través del turborreactor anidado, mientras que el resto fluye a través del espacio vacío que lo rodea. Las dos corrientes se reúnen cuando el aire más frío redirigido se mezcla con el escape del turborreactor y lo ralentiza, creando una corriente de empuje más grande y más lenta que es más eficiente a bajas velocidades [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Kruger ].

Mientras tanto, en la época en que los turboventiladores se hicieron realidad, la investigación sobre los aviones estatorreactores finalmente estaba avanzando a pasos agigantados. Había sido un largo camino.

poscombustión

Algunos turborreactores y turboventiladores están acoplados con postquemadores , que consumen más energía al inyectar combustible en el escape después de que pasa por la turbina y lo vuelven a encender. Este proceso, también conocido como recalentamiento , es ineficiente pero puede aumentar el empuje del turboventilador hasta en un 50 por ciento [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Pratt y Whitney ]. Los posquemadores son útiles durante el despegue o en condiciones desfavorables, de baja velocidad o baja presión. Se encuentran principalmente en aviones de combate supersónicos, aunque el Concorde SST también los usó en el despegue [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt y Whitney ].

Quien dijo que hay que caminar antes de poder correr nunca conoció al francés René Lorin. Vio las posibilidades de la propulsión de presión de ariete ya en 1913, cuando los pilotos todavía volaban cometas de madera glorificados. Consciente de la inutilidad del diseño a velocidades subsónicas, diseñó una bomba voladora asistida por ramjet. El ejército francés lo rechazó. El ingeniero húngaro Albert Fono, otro pionero del estatorreactor, persiguió una idea similar en 1915 y recibió una recepción similar por parte del ejército austrohúngaro [fuentes: Gyorgy ; Heiser y Pratt ; Wolko ].

Los diseños de ramjets disfrutaron de una breve boga entre las guerras mundiales. Los ingenieros soviéticos dieron los primeros pasos en los estatorreactores basados ​​en cohetes (ver la siguiente sección), pero el interés se esfumó antes de 1940. La ocupación alemana interrumpió el trabajo inicial del ingeniero francés René Leduc, pero su persistencia y secreto dieron sus frutos el 21 de abril de 1949, cuando su Lorin -inspirado en el modelo 010 realizó su primer vuelo propulsado de un avión estatorreactor. Transportado en lo alto de un avión de pasajeros Languedoc 161, voló durante 12 minutos y alcanzó las 450 mph (724 kph) a media potencia [fuentes: Siddiqi ; barrio ; Wolko ; Yust et al .].

Y, por un tiempo, eso fue todo. A pesar del éxito de Leduc, la falta de fondos terminó con el apoyo oficial para su investigación en 1957 [fuentes: Siddiqi ; Pabellón; Wolko; Yust et al.]. El estatorreactor empezaba a parecer un invento sin aplicación. Mientras tanto, la Segunda Guerra Mundial había dado paso a la primera generación de turborreactores operativos: el británico Gloster Meteor, el alemán Messerschmitt Me 262 y el estadounidense Lockheed F-80 Shooting Star [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopedia Británica ; Enciclopedia Británica ; Museo Nacional de la USAF ; Van Pelt ].

Cuando terminó la guerra y se calentó la Guerra Fría, quedó claro que los turborreactores y los turboventiladores presentaban soluciones subsónicas y supersónicas bajas más prácticas que los estatorreactores. A partir de entonces, la mayor parte del trabajo estadounidense y soviético en estatorreactores se centró en la construcción de misiles intercontinentales. En 1950, el ingeniero estadounidense William H. Avery y el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins produjeron Talos, el primer misil estatorreactor de la Marina de los EE. UU. Las generaciones futuras refinarían y simplificarían el diseño, introduciendo ramrockets híbridos capaces de alcanzar altas velocidades supersónicas (Mach 3-5) (ver la siguiente sección) [fuentes: Hoffman ; Kossiakoff ; barrio ].

A pesar de diseños intrigantes como el helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, el interceptor de bombarderos Republic XF-103 propuesto y el dron de reconocimiento no tripulado Lockheed D-21B de corta duración, los aviones estatorreactores languidecieron hasta el debut en 1964 del Lockheed SR-71 Blackbird . El avión tripulado más rápido hasta su retiro en 1989, el Mach 3+ Blackbird también usó un motor híbrido, a veces llamado turborreactor [fuentes: Museo Nacional de la USAF ; Smithsoniano ; barrio ].

Nos sumergiremos en el SR-71 y otros estatorreactores híbridos y subtipos en la siguiente sección.

¿Rudi Ramjet?

Al final de la Segunda Guerra Mundial, Alemania había comenzado a investigar numerosas naves a reacción, incluido un estatorreactor asistido por cohetes, el Fw 252 "Super Lorin" y el bombardero antípoda Sänger-Bredt propulsado por estatorreactor. Lo más famoso es que construyeron con éxito la V-1 Buzz Bomb, una bomba guiada impulsada por chorro de pulso lanzada por una catapulta de vapor. Un pulsorreactor no es un estatorreactor, pero comparten cualidades en común, incluida la simplicidad y un mínimo de piezas móviles [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopedia Británica ; Enciclopedia Británica ; Museo Nacional de la USAF ; Van Pelt ].

Si los estatorreactores son tan complicados, ¿por qué molestarse? Bueno, a las presiones y temperaturas generadas en Mach 2.5+, la mayoría de los motores a reacción se vuelven muy poco prácticos y completamente inútiles. Incluso si pudiera hacer que uno funcionara, hacerlo combinaría los peligros de hacer funcionar un molino de viento en un huracán con la inutilidad de transportar una máquina de olas a la costa norte de Oahu.

Los estatorreactores toman los principios básicos de otros jets y los elevan a 11, todo sin partes móviles importantes. El aire ingresa al difusor de un estatorreactor a velocidades supersónicas, atacándolo con ondas de choque que ayudan a generar presión de ariete. Un cuerpo central en forma de diamante en la admisión aprieta aún más el aire y lo reduce a velocidades subsónicas para mezclarlo más eficientemente con el combustible y la combustión. La combustión ocurre en una cámara abierta similar a un postquemador gigante, donde se inyecta combustible líquido o se extrae combustible sólido de los lados de la cámara [fuentes: Ashgriz ; Enciclopedia Británica ; GAP ; barrio ].

Las limitaciones de velocidad de los estatorreactores inspiraron gradualmente motores híbridos que podían volar a velocidades más bajas y acelerar a velocidades supersónicas. El ejemplo más famoso, el SR-71 Blackbird, utilizó un híbrido turborreactor-estatorreactor llamado, apropiadamente, turborreactor . Dichos motores funcionan como un turborreactor de postcombustión hasta mucho más allá de Mach 1, después de lo cual los conductos eluden el turborreactor y redirigen el flujo de aire comprimido en el postquemador, haciendo que el motor se comporte como un estatorreactor [fuente: Ward ].

Mientras tanto, los diseños de misiles eliminaron gradualmente los propulsores moviéndolos dentro del propio estatorreactor, creando estatorreactores , también conocidos como estatorreactores de cohetes integrales . Durante la aceleración del cohete, los tapones sellan temporalmente los inyectores de combustible y de admisión del estatorreactor. Una vez que se gastan los cohetes y el estatorreactor alcanza la velocidad, estos se disparan y los cohetes vacíos actúan como cámaras de combustión [fuente: Ward ].

De cara al futuro, cruzar la línea Mach 5 hacia velocidades hipersónicas probablemente implicará scramjets (estatorreactores de combustión supersónica) . A diferencia de otros ramjets, los scramjets no necesitan reducir la velocidad del aire a velocidades subsónicas en sus cámaras de combustión. Para lograr la ignición y la expansión en los 0.001 segundos antes de que el aire presurizado salga disparado por el escape, los scramjets generalmente usan combustible de hidrógeno, que tiene un impulso específico alto (cambio en el momento por unidad de masa de propulsor), se enciende en una amplia gama de combustible/ proporciones de aire y libera una gran explosión de energía cuando se quema [fuentes: Bauer ; Enciclopedia Británica ; NASA ].

Scramjets siguió siendo teórico antes de las últimas décadas, y el trabajo sigue siendo en su mayoría experimental. En noviembre de 2004, el programa Hyper-X de ocho años y 230 millones de dólares de la NASA produjo un scramjet que alcanzó Mach 9,6 en su último vuelo. Algunos analistas creen que la tecnología podría alcanzar Mach 15-24, pero viajar en avión a velocidades hipersónicas significa superar fuerzas diferentes a las que enfrenta incluso la nave supersónica más rápida. En resumen, tenemos un largo camino por recorrer antes de que podamos viajar de Nueva York a Los Ángeles en 12 minutos [fuentes: Bauer ; DARPA ; flechero ; NASA ].

El estatorreactor interestelar

Uno de los principales obstáculos para los viajes espaciales propulsados ​​por cohetes es la relación exponencial entre la aceleración y el combustible. Cuanto más rápido vaya, más combustible necesitará; cuanto más combustible lleves, más masa agregarás, más combustible adicional necesitarás para superarlo [fuentes: Long ; NASA ].

Con esto en mente, los físicos han propuesto otras soluciones, que incluyen todo, desde velas solares hasta explosiones de bombas nucleares expulsadas. En 1960, el físico Robert Bussard propuso un estatorreactor interestelar que recolectaría partículas cargadas en el espacio a través de un campo electromagnético, las haría converger, crearía una reacción de fusión y usaría la energía para la propulsión [fuentes: Long ; NASA ].

Nota del autor: cómo funcionan los estatorreactores

A menudo me encantan las historias de grandes innovaciones que no lograron encontrar una aplicación cuando se inventaron por primera vez. Mientras escribía este artículo, por ejemplo, recordé repetidamente el láser, que una vez se llamó una solución que busca un problema.

Oh, qué diferencia hacen unas pocas décadas.

Por otro lado, a veces los inventos raros hacen millones . Otras veces inventamos cosas con un propósito que resultan tener aplicaciones imprevistas. Entre sus muchas contribuciones, el programa espacial estadounidense inventó el traje de baño de canalé y cambió los pañales para siempre . Hoy en día, los científicos de materiales están descubriendo propiedades para las que todavía tenemos que encontrar usos. Con suerte, les irá mejor que a Lorin.

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