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Cómo funcionan los Ramjets

Cómo funcionan los Ramjets
Satisfacer
  1. Detonaciones y llegadas
  2. Ramjets, ¿adelantado a su tiempo?
  3. Ramjets: hacer un modelo Mach

Detonaciones y llegadas

Un camarógrafo con una cámara de alta velocidad captura la llama que aumenta el empuje de un Ramjet I-40 en el Laboratorio de Propulsión de Vuelo de Lewis en Cleveland. (El laboratorio se conoció más tarde como el Centro de Investigación John Glenn).

© Corbis

Los chorros operan con explosiones controladas. Parece extraño hasta que te das cuenta de que la mayoría de los motores de los automóviles también hacen eso: aspirar aire, exprimirlo, mezclarlo con combustible, encenderlo y golpearlo. Empujaste un pistón. Pero mientras que los motores de gasolina y diesel involucran combustión intermitente, los chorros causan combustión continua, donde el combustible y el aire se mezclan y se queman continuamente. En cualquier caso, quemar más caucho significa consumir más gas, lo que significa atraer más oxígeno para obtener la mezcla adecuada. Los coches inflados hacen esto con compresores; en los motores a reacción, es más complicado [source: Encyclopaedia Britannica].

El primer jet operativo entró en combate al final de la Segunda Guerra Mundial usando turborreactor motores, un diseño simple pero ingenioso basado en Brayton (o Joule) Ciclo: Mientras la aeronave vuela, el aire circula por succión en un Serpentina, una cámara que ralentiza el flujo de aire e inhibe las ondas de choque. Luego pasa a través de una serie de discos de cuchillas: rotación rotores, que fuerza el aire hacia atrás y quieto estatores, que guían el flujo de aire. Juntos, actúan como un compresor que bombea presión a las cámaras de combustión del jet. Allí, el combustible se mezcla con el aire presurizado y se enciende, con temperaturas de explosión que oscilan entre 1800-2800 F (980-1540 C) o más. [sources: Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].

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

En aviones con turbohélice o helicópteros con motor turboeje Los motores, las turbinas también transfieren energía a la hélice o al rotor de un helicóptero a través de una serie de engranajes.

Los turborreactores tienen mucha potencia, pero luchan a baja velocidad. Por lo tanto, en las décadas de 1960 y 1970, los aviones supersónicos de bajo nivel comenzaron a evolucionar hacia el turborreactores que la mayoría de jets privados y aviones comerciales todavía usan. Un turborreactor es el turducken del motor, esencialmente un turborreactor envuelto en un capó más grande con un gran ventilador colocado en la parte delantera. El ventilador atrae más aire, que el motor divide en dos flujos: parte del aire se mueve a través del turborreactor anidado, mientras que el resto fluye a través del espacio vacío que lo rodea. Los dos flujos se juntan cuando el aire frío redirigido se mezcla con el escape del turborreactor y lo ralentiza, creando un flujo de impulso más grande y lento que es más eficiente a bajas velocidades. [sources: Encyclopaedia Britannica; Krueger].

Mientras tanto, con el despegue de los turborreactores, la investigación de ramjet finalmente ha alcanzado su punto máximo. Ha sido un largo camino.

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Ramjets, ¿adelantado a su tiempo?

Quien haya dicho que hay que caminar antes de correr nunca ha conocido a René Lorin, de Francia. Vio las posibilidades de la propulsión de ariete ya en 1913, cuando los pilotos todavía volaban cometas de madera glorificadas. Al darse cuenta de la inutilidad del proyecto a velocidades subsónicas, diseñó una bomba voladora con la ayuda de un estatorreactor. El ejército francés le indicó que se fuera. El ingeniero húngaro Albert Fono, otro pionero del estatorreactor, tuvo una idea similar en 1915 y recibió una recepción similar del ejército austrohúngaro. [sources: Gyorgy; Heiser and Pratt; Wolko].

Los modelos de Ramjets disfrutaron de una breve moda entre las dos guerras mundiales. Los ingenieros soviéticos dieron sus primeros pasos en los cohetes (ver la siguiente sección), pero el interés menguó antes de 1940. La ocupación alemana interrumpió el trabajo inicial del ingeniero francés René Leduc, pero su perseverancia y secreto fueron pagados el 21 de abril de 1949, cuando su Lorin- El modelo inspirado 010 hizo su primer vuelo con un motor estatorreactor. En el aire en un avión Languedoc 161, voló durante 12 minutos y alcanzó los 724 km / h (450 mph) a la mitad de potencia. [sources: Siddiqi; Ward; Wolko; Yust et al.].

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Y, por un tiempo, eso fue todo. A pesar del éxito de Leduc, la falta de financiación acabó con el apoyo oficial a su investigación en 1957. [sources: Siddiqi; Ward; Wolko; Yust et al.]. El estatorreactor comenzaba a parecer un invento sin aplicación. Mientras tanto, la Segunda Guerra Mundial marcó el comienzo de la primera generación de turborreactores operativos: el británico Gloster Meteor, el alemán Messerschmitt Me 262 y el estadounidense Lockheed F-80 Shooting Star. [sources: Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; National Museum of the USAF; van Pelt].

Cuando la guerra terminó y la Guerra Fría se calentó, quedó claro que los turborreactores y los turboventiladores ofrecen soluciones subsónicas y supersónicas que son más prácticas que los estatorreactores. Posteriormente, la mayor parte del trabajo estadounidense y soviético en ramjets 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 el Talos, el primer misil a reacción de la Marina de los EE. UU. Las generaciones futuras habrían perfeccionado y simplificado el diseño, presentando el híbrido cohetes capaz de altas velocidades supersónicas (Mach 3-5) (vea la siguiente sección) [sources: Hoffman; Kossiakoff; Ward].

A pesar de diseños intrigantes como el helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, el interceptor bombardero Republic XF-103 propuesto y el avión no tripulado de reconocimiento Lockheed D-21B, los ramjets languidecieron hasta el debut de 1964 del Blackbird Lockheed SR-71. El avión tripulado más rápido hasta su retiro en 1989, el Mach 3+ Blackbird también usaba un motor híbrido, a veces denominado turborreactor [sources: National Museum of the USAF; Smithsonian; Ward].

En la siguiente sección, nos sumergiremos en el SR-71 y otros subtipos híbridos y ramjet.

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Ramjets: hacer un modelo Mach

El avión de reconocimiento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para el vuelo.  El Blackbird estacionado en Steven F. Udvar-Hazy Center ya ha volado desde Los Ángeles a Washington, DC, en una hora, cuatro minutos y 20 segundos.

El avión de reconocimiento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para el vuelo. El Blackbird estacionado en Steven F. Udvar-Hazy Center ya ha volado desde Los Ángeles a Washington, DC, en una hora, cuatro minutos y 20 segundos.

© George Hall / Corbis

Si los ramjets son tan complicados, ¿por qué molestarse? Bueno, a las presiones y temperaturas generadas a Mach 2.5+, la mayoría de los motores a reacción se vuelven extremadamente imprácticos y totalmente inútiles. Incluso si pudiera hacer un trabajo, combinaría los riesgos de operar un molino de viento en un huracán con la inutilidad de transportar una máquina de olas a la costa norte de Oahu.

Los Ramjets toman bases de otros jets y las lanzan hasta 11, todo sin grandes partes móviles. El aire entra en el difusor de un chorro de agua a velocidades supersónicas, atacándolo con ondas de choque que ayudan a crear la presión del golpe de ariete. Un cuerpo central en forma de diamante en la entrada exprime aún más el aire y reduce la velocidad a velocidades subsónicas para mezclarse de manera más eficiente con el combustible y quemar. La combustión tiene lugar 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. [sources: Ashgriz; Encyclopaedia Britannica; SPG; Ward].

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Los límites de velocidad de los Ramjets han inspirado gradualmente motores híbridos que pueden volar a velocidades más lentas y acelerar a velocidades supersónicas. El ejemplo más famoso, el SR-71 Blackbird, utilizó un híbrido turborreactor-ramjet correctamente llamado turborreactor. Estos motores operan como un turborreactor de postcombustión hasta mucho más allá de Mach 1, después de lo cual los conductos desvían el turborreactor y redirigen el flujo de aire comprimido a la postcombustión, haciendo que el motor se comporte como un golpe de ariete. [source: Ward].

Los diseños de misiles, por otro lado, eliminaron gradualmente los propulsores, moviéndolos dentro del propio estatorreactor, creando así cohetes, También conocido como cohetes cohetes integrales. A medida que el cohete acelera, las tapas sellan temporalmente la entrada de combustible y los inyectores de estatorreactor. Tan pronto como los cohetes se agotan y el chorro de aire está funcionando, los cohetes saltan y los cohetes vacíos sirven como cámaras de combustión. [source: Ward].

En el futuro, probablemente cruzará la línea Mach 5 a velocidades hipersónicas scramjets (pistones de combustión supersónicos). A diferencia de otros estatorreactores, los scramjets no necesitan reducir la velocidad del aire a velocidades subsónicas en sus cámaras de combustión. Para detener el encendido y la expansión dentro de 0.001 segundos antes de que el aire presurizado expulse el escape, los scramjets generalmente usan hidrógeno, que tiene un alto impulso específico (cambio en el impulso por unidad de masa del tren motriz), dispara en una amplia gama de relaciones aire-combustible y libera una enorme explosión de energía cuando se quema [sources: Bauer; Encyclopaedia Britannica; NASA].

Los Scramjets se han mantenido teóricos hasta las últimas décadas y el trabajo sigue siendo esencialmente experimental. En noviembre de 2004, el programa Hyper-X de 230 millones de dólares de ocho años de la NASA produjo un scramjet que alcanzó Mach 9,6 en su último vuelo. Algunos analistas creen que la tecnología puede alcanzar Mach 15-24, pero viajar en avión a velocidades hipersónicas significa superar fuerzas distintas a las que enfrentan incluso los aviones supersónicos más rápidos. En resumen, todavía nos queda un largo camino por recorrer antes de que podamos viajar entre Nueva York y Los Ángeles en 12 minutos. [sources: Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].

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La ingeniera de la NASA Laura O'Connor inspecciona un modelo de motor de estatorreactor supersónico (scramjet) en el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia.

La ingeniera de la NASA Laura O’Connor inspecciona un modelo de motor de estatorreactor supersónico (scramjet) en el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia.

© Corbis

Como puede decirle cualquier persona que haya tenido el estómago flácido en una inmersión profunda, cuando golpea un líquido sin darle tiempo para limpiarlo, tiende a reaccionar. Los buzos superan a la física al hacer una inmersión más ligera, y los autos y aviones más rápidos lo hacen presentando formas más aerodinámicas. Pero llega un punto, cerca de la barrera del sonido, donde la racionalización no es suficiente: una velocidad a la que el aire mismo que sostiene tu avión comienza a golpearte con una resistencia aparentemente insuperable, violentas turbulencias. Dientes brutales y ondas de choque. De hecho, muchos creían que esta barrera del sonido era indestructible hasta el 14 de octubre de 1947, cuando el cohete Bell X-1 de Chuck Yeager demostró que estaban equivocados.

Pero, ¿y si pudieras usar todo ese aire acumulado a tu favor? ¿Y si, en lugar de pasarlo con hélices o quemarlo con cohetes, pudieras envolverlo en un tubo de forma especial, volarlo con una explosión y dispararle con un pico a velocidades supersónicas, todo sin grandes muebles? Tendría un tipo de motor a reacción muy especial, una “chimenea voladora” adaptada para atravesar los cielos a miles de kilómetros por hora. Tendrías un archivo estatorreactor.

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Pero la aparente simplicidad del estatorreactor es engañosa; Se necesita ingeniería aeronáutica avanzada, materiales modernos y fabricación de precisión para tener éxito, lo cual es parte de la razón por la cual una idea casi tan antigua como el vuelo motorizado fue revisada y archivada repetidamente durante décadas antes de tener un éxito limitado durante la Guerra Fría.

A diferencia de su competencia de velocidad principal, el cohete, que quema combustible utilizando oxidantes a bordo como el nitrato de amonio, el clorato de potasio o el clorato de amonio, los ramjets respiran aire. Por lo tanto, aunque los cohetes pueden operar casi en el vacío del espacio, los estatorreactores deben volar hacia la atmósfera. También tienen que hacer esto a velocidades muy altas, alrededor de Mach 2.5-3.0, o tres veces la velocidad del sonido, porque los ramjets funcionan aprovechando presión del agua, la compresión natural del aire causada por la alta velocidad de un avión. En otras palabras, los estatorreactores se alían con ondas de choque y fuerzas de compresión que antes se oponían al vuelo a alta velocidad; ellos literalmente siguen el flujo [sources: Encyclopaedia Britannica; NASA].

Los ramjets son más eficientes en largas distancias que los cohetes, pero tienen una gran desventaja: son inútiles a bajas velocidades. Por lo tanto, dependen de cohetes de refuerzo u otros vehículos para actualizarlos. Los aviones estatorreactores autónomos suelen utilizar motores híbridos [source: NASA].

Si esa explicación te llegó a velocidades supersónicas, probablemente sea porque dejamos de lado muchas cosas interesantes y geniales. Echemos un vistazo a cómo se desarrollaron los motores a reacción para producir esta maravilla moderna.

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