La ingeniera de la NASA Laura O'Connor inspecciona un modelo de motor estatorreactor supersónico (scramjet) en el Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia. © Corbis Como puede decirte cualquiera que alguna vez haya caído en picado de un salto alto, cuando golpea un fluido sin darle tiempo para que se salga del camino, tiende a devolver el golpe. Los buzos superan la física dando un paso más aerodinámico, y los coches y aviones más rápidos lo hacen con 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 su avión en alto comienza a golpearlo con una resistencia aparentemente insuperable, turbulencias estrepitosas y brutales ondas de choque. En efecto, muchos creían que esta barrera del sonido era irrompible hasta que, el 14 de octubre, 1947, El Bell X-1 propulsado por cohetes de Chuck Yeager demostró que estaban equivocados.
Pero, ¿y si pudieras aprovechar todo ese aire acumulado? Y si, en lugar de atravesarlo con hélices o quemarlo con cohetes, podría empacarlo en un tubo de forma especial, bombearlo con una explosión y disparar una boquilla a velocidades supersónicas, todo sin partes móviles importantes? Tendrías un tipo de motor a reacción muy especial, una "chimenea voladora" apta para atravesar el cielo a miles de kilómetros por hora. Tendrías un estatorreactor .
Pero la aparente simplicidad del estatorreactor 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 motorizado se retomó repetidamente y se desechó 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 usando 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 en el casi vacío del espacio, los estatorreactores deben volar a través de la atmósfera. Deben hacerlo a velocidades muy altas, también - alrededor de Mach 2.5-3.0, o tres veces la velocidad del sonido, porque los estatorreactores funcionan aprovechando presión del ariete, la compresión de aire natural provocada por la alta velocidad de un avión. En otras palabras, los ramjets 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 ramjets son más eficientes en largas distancias que los cohetes, pero tienen una desventaja significativa:son inútiles a bajas velocidades. Como consecuencia, dependen de cohetes impulsores 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 pasamos por alto muchas cosas interesantes e interesantes. Veamos cómo se han desarrollado los motores a reacción para producir esta maravilla moderna.
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Un camarógrafo con una cámara de alta velocidad filma la llama aumentadora de empuje de un motor 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 jets funcionan con explosiones controladas. Eso suena extraño hasta que te das cuenta de que la mayoría de los motores de los automóviles lo hacen, también:inhale aire, comprimirlo, mezclarlo con combustible, ¡Enciéndelo y bang! Has empujado un pistón. Pero mientras que los motores de gasolina y diésel implican ciclos o combustión intermitente , los jets implican combustión continua, en el que el combustible y el aire se mezclan y se queman sin parar. De cualquier manera, Quemar más caucho significa engullir más gas, y eso significa aspirar más oxígeno para obtener la mezcla correcta. Los coches mejorados hacen esto con sobrealimentadores; en motores a reacción, es más complicado [fuente:Encyclopaedia Britannica].
El primer avión a reacción operacional se acercó al combate cerca del final de la Segunda Guerra Mundial usando turborreactor motores, un diseño sencillo pero ingenioso basado en el Brayton (o Joule ) Ciclo :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 de cuchillas:girando rotores , que fuerzan el aire hacia atrás, y estacionario estatores , 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, temperaturas de voladura 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 un empuje para mover la aeronave. De camino a esta boquilla, el escape también se dispara a través de una turbina conectada a los rotores mediante un eje de torsión. Mientras la turbina gira, transfiere energía a las palas del compresor en la parte delantera, completando el ciclo.
En aviones con turbopropulsores o helicópteros con turboeje motores, las turbinas también transfieren energía a una hélice o al rotor de un helicóptero a través de una serie de engranajes.
Los turborreactores tienen mucha potencia, pero luchan a bajas velocidades. Como consecuencia, en las décadas de 1960 y 1970, aviones supersónicos bajos comenzaron a tender hacia el turboventiladores que todavía utilizan la mayoría de los jets privados y los aviones comerciales. Un turboventilador es el turducken de los motores, esencialmente un turborreactor envuelto en una capota más grande con un gran ventilador en la parte delantera. El ventilador aspira más aire que el motor luego divide en dos corrientes:algo de aire se mueve a través del turborreactor anidado, mientras que el resto fluye por el 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 un mayor, flujo de empuje más lento que es más eficiente a bajas velocidades [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Krueger].
Mientras tanto, en la época en que los turboventiladores se hicieron realidad, la investigación sobre los aviones ramjet finalmente estaba alcanzando su ritmo. Había sido un largo camino.
PostquemadoresAlgunos turborreactores y turboventiladores están acoplados postquemadores , que obtienen más energía inyectando combustible en el escape después de que pasa por la turbina y volviéndola a encender. Este proceso, también conocido como recalentar , es ineficaz 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 situaciones desfavorables, condiciones 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 haya dicho que hay que caminar antes de poder correr, nunca conoció al francés René Lorin. Vio las posibilidades de la propulsión por presión de ariete ya en 1913, cuando los pilotos todavía volaban cometas de madera glorificadas. Consciente de la inutilidad del diseño a velocidades subsónicas, en su lugar diseñó una bomba voladora asistida por ramjet. El ejército francés lo despidió. Ingeniero húngaro Albert Fono, otro pionero de ramjet, persiguió una idea similar en 1915 y recibió una recepción similar del ejército austrohúngaro [fuentes:Gyorgy; Heiser y Pratt; Wolko].
Los diseños de Ramjets gozaron de una corta moda entre guerras mundiales. Los ingenieros soviéticos hicieron los primeros avances en los estatorreactores basados en cohetes (ver la siguiente sección), pero el interés desapareció antes de 1940. La ocupación alemana interrumpió los primeros trabajos del ingeniero francés René Leduc, pero su persistencia y secretismo dieron sus frutos el 21 de abril, 1949, cuando su modelo 010 inspirado en Lorin realizó su primer vuelo propulsado con un estatorreactor. Llevado en lo alto de un avión Languedoc 161, voló durante 12 minutos y alcanzó las 450 mph (724 kph) a la mitad de la potencia [fuentes:Siddiqi; Pabellón; Wolko; Yust y col.].
Y, por un momento, eso fue eso. A pesar del éxito de Leduc, la falta de fondos acabó con el apoyo oficial a su investigación en 1957 [fuentes:Siddiqi; Pabellón; Wolko; Yust y col.]. El ramjet comenzaba a parecer un invento sin aplicación. Mientras tanto, La Segunda Guerra Mundial había marcado 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 [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica; Museo Nacional de la USAF; van Pelt].
Cuando la guerra terminó y la Guerra Fría se calentó, Quedó claro que los turborreactores y los turboventiladores presentaban soluciones subsónicas y poco supersónicas más prácticas que los estatorreactores. Después de eso, 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, primer misil ramjet de la Marina de los EE. UU. Las generaciones futuras perfeccionarían y optimizarían el diseño, introduciendo híbrido cohetes capaz de alcanzar altas velocidades supersónicas (Mach 3-5) (ver la siguiente sección) [fuentes:Hoffman; Kossiakoff; Pabellón].
A pesar de diseños intrigantes como el helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, el interceptor del bombardero Republic XF-103 propuesto y el avión no tripulado de reconocimiento no tripulado Lockheed D-21B de corta duración, Los 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 un turborreactor [fuentes:Museo Nacional de la USAF; Smithsonian; Pabellón].
Nos sumergiremos en el SR-71 y otros híbridos y subtipos de ramjet en la siguiente sección.
Rudi Ramjet?Al final de la Segunda Guerra Mundial, Alemania había comenzado a investigar numerosas naves a reacción, incluyendo un estatorreactor asistido por cohete, el Fw 252 "Super Lorin, "y el bombardero antípoda Sänger-Bredt propulsado por ramjet. El más famoso, construyeron con éxito la bomba buzz V-1, una catapulta de vapor lanzada, bomba guiada impulsada por chorro de pulso. Un chorro de pulso no es un estatorreactor, pero comparten cualidades en común, incluyendo simplicidad y un mínimo de partes móviles [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica; Museo Nacional de la USAF; van Pelt].
El avión de reconocimiento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para el vuelo. El Blackbird estacionado en el Steven F. Udvar-Hazy Center una vez voló de Los Ángeles a Washington, CORRIENTE CONTINUA., en una hora, cuatro minutos y 20 segundos. © George Hall / Corbis Si los ramjets son tan complicados, entonces ¿por qué molestarse? Bien, a las presiones y temperaturas generadas a Mach 2.5+, la mayoría de los motores a reacción se vuelven enormemente imprácticos y completamente inútiles. Incluso si pudieras hacer que uno funcione, 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 Ramjets toman los principios básicos de otros jets y los ponen en marcha hasta 11, todo sin partes móviles importantes. El aire entra en el difusor de un ramjet a velocidades supersónicas, agredirlo con ondas de choque que ayudan a aumentar la presión del ariete. Un cuerpo central en forma de diamante en la entrada aprieta aún más el aire y lo ralentiza a velocidades subsónicas para mezclarse más eficientemente con el combustible y arder. 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; SPG; Pabellón].
Las limitaciones de velocidad de los Ramjets inspiraron gradualmente a los motores híbridos que podían volar a velocidades más bajas y acelerar a velocidades supersónicas. El ejemplo más famoso, el SR-71 Blackbird, usó un híbrido turborreactor-ramjet llamado, adecuadamente, a turborreactor . Tales motores funcionan 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 por ariete hacia el postquemador, haciendo que el motor se comporte como un estatorreactor [fuente:Ward].
Diseños de misiles, mientras tanto, gradualmente eliminó los impulsores moviéndolos dentro del estatorreactor, creando cohetes , alias ramjets cohete integral . Durante la aceleración del cohete, Los tapones sellan temporalmente la admisión y los inyectores de combustible del estatorreactor. Una vez que se hayan gastado los cohetes y el estatorreactor esté al día, estos se apagan, y los cohetes vacíos actúan como cámaras de combustión [fuente:Ward].
Viendo hacia adelante, cruzar la línea Mach 5 a velocidades hipersónicas probablemente implicará scramjets (estafadores supersónicos de combustión) . A diferencia de otros ramjets, Los scramjets no necesitan reducir el aire a velocidades subsónicas en sus cámaras de combustión. Para quitar el encendido y la expansión en los 0.001 segundos antes de que el aire presurizado salga disparado por el escape, Los scramjets suelen utilizar combustible de hidrógeno, que tiene un alto impulso específico (cambio en la cantidad de movimiento por unidad de masa de propulsor), se enciende en una amplia gama de relaciones de combustible / aire y libera una enorme explosión de energía cuando se quema [fuentes:Bauer; Enciclopedia Británica; NASA].
Los Scramjets seguían siendo teóricos antes de las últimas décadas, y el trabajo sigue siendo en su mayor parte experimental. En noviembre de 2004, De ocho años de la NASA, El programa Hyper-X de 230 millones de dólares produjo un scramjet que alcanzó Mach 9,6 en su último vuelo. Algunos analistas creen que la tecnología podría llegar a Mach 15-24, pero viajar en avión a velocidades hipersónicas significa superar fuerzas diferentes a las que enfrentan incluso las naves supersónicas más rápidas. En breve, tenemos un largo camino por recorrer antes de que podamos viajar de Nueva York a Los Ángeles en 12 minutos [fuentes:Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].
El estatorreactor interestelarUn obstáculo importante para los viajes espaciales propulsados por cohetes es la relación exponencial entre la aceleración y el combustible. Cuanto más rápido vayas cuanto más combustible necesite; cuanto más combustible llevas, cuanta más masa agregue, cuanto más combustible adicional necesite para superarlo [fuentes:Long; NASA].
Teniendo esto en cuenta, los físicos han propuesto otras soluciones, incluyendo todo, desde velas solares hasta la explosión de bombas nucleares expulsadas. En 1960, El físico Robert Bussard propuso un estatorreactor interestelar que recogería partículas cargadas en el espacio a través de un campo electromagnético, convergerlos, crear una reacción de fusión y utilizar la energía para la propulsión [fuentes:Long; NASA].
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A menudo me encantan las historias de grandes innovaciones que no pudieron encontrar una aplicación cuando se inventaron por primera vez. Mientras escribía este artículo, por ejemplo, Me recordó repetidamente el láser, que una vez se llamó una solución en busca de un problema.
Oh, qué diferencia hacen unas pocas décadas.
Por otra parte, a veces, los inventos extraños 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 dia, Los científicos de materiales están descubriendo propiedades para las que todavía tenemos que encontrar usos. Con suerte, les irá mejor que a Lorin.
