Un ejemplo sencillo de propulsión a chorro es el movimiento de un globo hinchado cuando se deja salir el aire repentinamente. Mientras se mantiene cerrada la abertura, la presión del aire en el interior del globo es igual en todas direcciones; cuando se suelta la boca, la presión interna que experimenta el globo es menor en el extremo abierto que en el extremo opuesto, lo que hace que el globo salga despedido hacia adelante.
Un motor a reacción no funciona de forma tan sencilla como un globo, aunque el principio básico es el mismo. Más importante que la diferencia de presiones resulta la aceleración a altas velocidades del chorro que sale del motor. Esto se consigue en el motor mediante fuerzas que permiten al gas fluir hacia atrás formando un chorro. La segunda ley de Newton (véase Mecánica) demuestra que estas fuerzas son proporcionales al incremento del momento lineal del gas por unidad de tiempo. En un motor a reacción, este incremento está relacionado con el flujo de masa multiplicado por la velocidad de salida del chorro. La tercera ley de Newton, que afirma que toda fuerza genera una reacción igual y opuesta, exige que la fuerza hacia atrás esté equilibrada por una reacción hacia adelante, conocida como empuje. Este empuje es similar al retroceso de un arma de fuego, que aumenta cuando se incrementa la masa del proyectil, su velocidad inicial, o ambas. Por ello, los motores de gran empuje requieren un elevado flujo de masa y unas altas velocidades de salida del chorro. Esto sólo puede conseguirse aumentando las presiones internas del motor e incrementando el volumen del gas por medio de la combustión.
Los dispositivos de propulsión a chorro se emplean sobre todo en aviones de alta velocidad y gran altitud, en misiles o en cohetes y naves espaciales (véase Avión; Misiles teledirigidos; Astronáutica). La fuente de potencia es un combustible de alta energía que se quema a grandes presiones para producir el elevado volumen de gas necesario para una alta velocidad de salida del chorro. El oxidante necesario para la combustión puede ser el oxígeno del aire, que se fuerza a entrar en el reactor y posteriormente se comprime; también puede transportarse el oxidante en el vehículo, de forma que el reactor no tenga que estar rodeado por una atmósfera. Entre los motores que dependen de la atmósfera para el suministro de oxígeno están los turborreactores, los turboventiladores, las turbohélices, los estatorreactores y los pulsorreactores. Los motores no atmosféricos suelen llamarse motores cohete.
REACTORES |
Prueba de un cohete
Los ingenieros aeroespaciales diseñan, prueban y analizan toda clase de vehículos espaciales. Debido a que un pequeño fallo puede resultar fatal en el espacio, se realizan pruebas exhaustivas para maximizar la seguridad. Aquí vemos a dos ingenieros probando el sistema de combustible de un cohete experimental Hydra.
Todos los reactores atmosféricos dependen del flujo de una gran masa de aire que se comprime, se emplea para oxidar el combustible y finalmente se expande hasta bajas presiones a través de una tobera para lograr una elevada velocidad de salida del chorro.
Turborreactores |
Los tres motores a reacción más comunes son el turborreactor, la turbohélice y el turboventilador. El aire que entra en un turborreactor se comprime y pasa a una cámara de combustión. Los gases calientes generados hacen girar la turbina que mueve el compresor. En las turbohélices, casi toda la potencia es generada por la hélice movida por la turbina, y sólo un 10% del empuje corresponde al chorro de gases de escape. Los turboventiladores combinan el chorro de gases calientes con aire propulsado por un ventilador movido por la turbina y desviado alrededor de la cámara de combustión, lo que reduce el ruido. Esto hace que sea muy empleado en aviones civiles.
Los motores atmosféricos más empleados son los turborreactores. Después de que el aire pase al motor, su presión se aumenta mediante un compresor antes de entrar en la cámara de combustión (véase Compresor de aire). La potencia necesaria para mover el compresor proviene de una turbina situada entre la cámara de combustión y la tobera.
Casi todos los reactores de avión emplean un compresor de flujo axial, en el que el aire tiende a fluir en la dirección del eje pasando sucesivamente por una serie de grupos de aspas fijas y giratorias, llamadas estatores y rotores. Las aspas están situadas de forma que el aire entra en cada grupo a gran velocidad. Al fluir a través de las aspas, su velocidad disminuye, con lo que aumenta la presión. Los compresores modernos de flujo axial pueden aumentar la presión 24 veces en 15 etapas; cada conjunto de estatores y rotores forma una etapa.
A continuación, el aire comprimido entra en la cámara de combustión, donde se mezcla con combustible vaporizado y se quema. Para obtener el máximo rendimiento, la temperatura de combustión debería ser la máxima que se pudiera obtener de la combustión completa del oxígeno y el combustible. Sin embargo, esta temperatura calentaría la turbina en exceso; las temperaturas de entrada en la turbina, que actualmente limitan la potencia de los turborreactores, no pueden superar los 1.100 °C aproximadamente, debido a las limitaciones térmicas de los materiales. Para reducir la temperatura de entrada a la turbina sólo se quema parte del aire comprimido. Esto se consigue dividiendo el aire al entrar en la cámara de combustión: parte del aire se mezcla con el combustible y se inflama, y el resto se emplea para enfriar la turbina.
En la turbina, que actúa de forma inversa al compresor, los gases se expanden parcialmente al pasar de forma alternativa por estatores y rotores. Al entrar en cada grupo de aspas, la velocidad es baja; el gas se expande y acelera a la vez que hace girar el rotor. La turbina mueve el compresor, al que está unido por un eje que pasa por el centro del motor, y también proporciona la potencia necesaria para la bomba de combustible, el generador eléctrico y otros accesorios.
Los gases, que en ese momento están a una presión intermedia, se expanden por último en una tobera dirigida hacia atrás para alcanzar la elevada velocidad de salida. Para obtener el máximo empuje, la tobera debería expandir los gases hasta la presión de la atmósfera circundante. En la práctica, sin embargo, una tobera así sería demasiado grande y pesada. Las toberas reales son más cortas, lo que hace que la presión de salida sea más alta y el empuje del motor sea algo menor.
Un turborreactor no puede arrancar directamente estando parado o detenido; primero hay que hacer que el eje empiece a girar mediante un motor de arranque externo. En ese momento, el combustible se inflama mediante una bujía calentada. Una vez en marcha el motor, la combustión se mantiene sin necesidad de bujía.
El empuje de un turborreactor disminuye cuando aumenta la temperatura del aire circundante, porque la menor densidad del aire caliente reduce la masa que fluye a través del reactor. En días cálidos, el empuje para el despegue puede aumentarse inyectando agua en la entrada del compresor para enfriar el aire mediante la evaporación del agua.
En los motores militares, un llamado postquemador instalado entre la turbina y la tobera puede proporcionar impulsos de aceleración o empuje adicional para el despegue y el ascenso. En el postquemador se añade más combustible al chorro de gases de escape para quemar el oxígeno que no se ha empleado en la cámara de combustión; este proceso aumenta tanto el volumen del aire como la velocidad del chorro. Sin embargo, la baja eficiencia del postquemador restringe su uso a situaciones que exijan una gran aceleración momentánea.
Turboventiladores o reactores de doble flujo |
Este turboventilador Rolls Royce Tay impulsa casi tres veces más aire por los conductos de desviación que por el núcleo central del reactor, donde se comprime el aire, se mezcla con combustible y se inflama. Los turboventiladores son menos potentes que los turborreactores, pero más silenciosos y eficaces.
El turboventilador es una mejora del turborreactor básico. Parte del aire entrante se comprime sólo parcialmente y se desvía para que fluya por una carcasa exterior hasta el final de la turbina. Allí se mezcla con los gases calientes que salen de la turbina, antes de llegar a la tobera. Un reactor de doble flujo tiene mayor empuje para el despegue y el ascenso y es más eficiente; el aire que fluye por el exterior refrigera el motor y reduce el nivel de ruido.
En algunos motores, el aire que fluye por el exterior no se vuelve a mezclar en el reactor sino que escapa directamente. En este tipo de motor de doble flujo, sólo una sexta parte del aire entrante atraviesa todo el reactor; los otros cinco sextos se comprimen en la primera etapa del compresor o ventilador y después salen al exterior. En las partes de alta y baja presión del motor se necesitan velocidades de rotación distintas. Esta diferencia se logra instalando dos combinaciones de turbina y compresor en dos ejes concéntricos llamados rodetes gemelos. Dos etapas de turbina de alta presión mueven las once etapas de compresor de alta presión montadas en el eje exterior, y cuatro etapas de turbina mueven el ventilador y cuatro etapas de compresor de baja presión en el eje interno. Un ejemplo de motor de este tipo es el reactor JT9D-3, que pesa unos 3.850 kg y puede alcanzar un empuje en el despegue de unos 20.000 kg. Esto es el doble del máximo empuje disponible en los aviones comerciales más grandes antes de la llegada del Boeing 747.
Las investigaciones actuales en turborreactores y turboventiladores se centran sobre todo en lograr un funcionamiento más eficiente de los compresores y turbinas, en diseñar sistemas especiales de refrigeración de las aspas de la turbina para permitir mayores temperaturas de entrada a la turbina y en reducir el sonido del reactor.
Turbohélices |
En un motor de turbohélice, una hélice montada delante del reactor es propulsada por una segunda turbina —o turbina libre— o por etapas adicionales de la turbina que mueve el compresor. Alrededor de un 90% de la energía de los gases expandidos se absorbe en la parte de la turbina que mueve la hélice, con lo que sólo un 10% se emplea para acelerar el chorro de gases de escape. Esto hace que el chorro sólo suponga una pequeña parte del empuje total. Las turbohélices tienen determinadas ventajas para aviones pequeños y medianos a velocidades de hasta 500 o 600 km/h. Sin embargo, no pueden competir con los turborreactores o turboventiladores en aviones muy grandes o velocidades mayores.
Estatorreactores |
El aire que se dirige hacia la entrada del reactor en un avión que vuela a gran velocidad resulta parcialmente comprimido por el llamado efecto de presión dinámica o efecto ariete. Si la velocidad del aire es lo bastante alta, esta compresión puede ser suficiente para hacer funcionar un reactor sin compresor ni turbina, el llamado estatorreactor. A veces se ha calificado al estatorreactor de 'tubería voladora', porque está abierto en ambos extremos y sólo tiene toberas de combustible en la parte central. Sin embargo, una 'tubería recta' no funcionaría; un estatorreactor debe tener una sección de difusión de entrada con la forma apropiada para que el aire entre a baja velocidad y alta presión en la sección de combustión; su tobera de escape también debe tener la forma adecuada. Los estatorreactores pueden funcionar a partir de velocidades de unos 300 km/h, pero sólo resultan prácticos para aplicaciones militares a velocidades muy altas o supersónicas. Como el estatorreactor depende de la velocidad del aire entrante para su funcionamiento, un vehículo propulsado por este sistema debe ser acelerado primero por otros medios hasta alcanzar una velocidad suficientemente elevada.
Pulsorreactores |
Un pulsorreactor es similar a un estatorreactor, pero delante de la sección de combustión se encuentra una serie de válvulas de charnela con muelles. En un pulsorreactor, la combustión es intermitente o pulsante, y no continua. El aire entra a través de las válvulas y hace que se inicie la combustión, lo que aumenta la presión y cierra las válvulas, con lo que el aire no puede salir por la entrada. Los gases calientes se expulsan por la tobera trasera; esto produce empuje y reduce la presión hasta el punto en que las válvulas pueden abrirse y admitir aire fresco. Entonces vuelve a repetirse el ciclo. El pulsorreactor más conocido es el que impulsaba el misil alemán V-1 utilizado hacia el final de la II Guerra Mundial, que funcionaba a un ritmo de unos 40 ciclos por segundo.
El efecto pulsante también puede lograrse en un reactor sin válvulas, o reactor de ondas, en el que el ciclo depende de las ondas de presión que se mueven hacia delante y hacia atrás en un reactor de dimensiones apropiadas. Un pulsorreactor proporciona empuje a velocidad nula y puede arrancarse con el avión detenido, pero las velocidades de vuelo máximas alcanzan sólo unos 950 km/h. Su baja eficiencia, fuertes vibraciones y alto nivel de ruido limitan su empleo a vehículos no pilotados de bajo coste.
Propulsión a chorro hidráulica |
Los dispositivos de propulsión a chorro no están limitados al uso de gases como fluido; también pueden utilizar líquidos, como el agua. Un ejemplo sencillo de sistema de propulsión a chorro con líquido basado en el principio de reacción es el aspersor de pasto o césped giratorio.
Ya en la década de 1920, ingenieros británicos y suecos trataron de desarrollar sistemas de propulsión a chorro para barcos. En estos sistemas se absorbe agua por la proa mediante bombas de alta presión y se expulsa por la popa a través de una o más toberas que producen chorros de agua de alta velocidad. Se necesitan bombas muy eficientes y altas velocidades para que los reactores hidráulicos puedan competir en los barcos con otras formas de propulsión. Aunque la propulsión a chorro hidráulica no ha tenido éxito en los buques grandes, en la actualidad se emplea en algunas lanchas rápidas y embarcaciones de recreo.
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 d.C. por el matemático y científico griego Herón de Alejandría. Conocido como eolípilo, el aparato de Herón 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 año siguiente, bajo la dirección del ingeniero aeronáutico Secundo Campini, los italianos desarrollaron un avión propulsado por una turbohélice con un compresor alimentado por un motor de pistones. 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. 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.
