Un motor de chorro de pulsos (o pulso jet ) es un tipo de motor a reacción en el que la combustión se produce en pulsos . Un motor de chorro pulsante se puede fabricar con pocas [1] o ninguna pieza móvil , [2] [3] [4] y es capaz de funcionar estáticamente (es decir, no necesita que se le fuerce aire en la entrada, generalmente mediante movimiento hacia adelante). . El ejemplo más conocido puede ser el Argus As 109-014 utilizado para propulsar la bomba voladora V-1 de la Alemania nazi .
Los motores Pulsejet son una forma liviana de propulsión a reacción, pero generalmente tienen una relación de compresión pobre y, por lo tanto, dan un impulso específico bajo .
Los dos tipos principales de motores de chorro pulsante utilizan combustión resonante y aprovechan los productos de combustión en expansión para formar un chorro de escape pulsante que produce empuje de forma intermitente. El primero es un pulsejet con válvula o tradicional. Dispone de un conjunto de válvulas unidireccionales por las que pasa el aire entrante. Cuando se enciende la mezcla de combustible, estas válvulas se cierran de golpe, lo que significa que los gases calientes sólo pueden salir a través del tubo de escape del motor, creando así un empuje hacia adelante. El segundo tipo es el pulsejet sin válvulas. [5] Los términos técnicos para este motor son pulsejet de tipo acústico o pulsejet con válvulas aerodinámicas.
Una línea de investigación notable incluye el motor de detonación por pulsos , que implica detonaciones repetidas en el motor y que potencialmente puede proporcionar una alta compresión y una eficiencia razonablemente buena.
El inventor ruso y oficial de artillería retirado Nikolaj Afanasievich Teleshov patentó un motor de chorro de pulsos de vapor en 1867, mientras que el inventor sueco Martin Wiberg también afirma haber inventado el primer chorro de pulsos en Suecia, pero los detalles no están claros.
El primer impulsor de impulsos en funcionamiento fue patentado en 1906 por el ingeniero ruso VV Karavodin, quien completó un modelo funcional en 1907. El inventor francés Georges Marconnet patentó su motor de impulsos de impulsos sin válvulas en 1908, y Ramón Casanova, en Ripoll , España , patentó un impulsor de impulsos en Barcelona en 1917. , habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor de chorro de pulsos en 1931 y lo demostró en una bicicleta propulsada por jet. [6] El ingeniero Paul Schmidt fue pionero en un diseño más eficiente basado en la modificación de las válvulas de admisión (o trampillas), lo que le valió el apoyo gubernamental del Ministerio del Aire alemán en 1933. [7]
En 1909, Georges Marconnet desarrolló la primera cámara de combustión pulsante sin válvulas. Fue el abuelo de todos los impulsores sin válvulas. El grupo de investigación de propulsión francés SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation) experimentó con el impulsor sin válvulas a finales de la década de 1940.
El primer uso generalizado del pulsejet sin válvulas fue el dron holandés Aviolanda AT-21 [8]
En 1934, Georg Hans Madelung y Paul Schmidt, con base en Munich, propusieron al Ministerio del Aire alemán una "bomba voladora" impulsada por el jet de pulsos de Schmidt. Madelung coinventó el paracaídas de cinta , un dispositivo utilizado para estabilizar el V-1 en su inmersión terminal. [ cita necesaria ] El prototipo de bomba de Schmidt no cumplió con las especificaciones del Ministerio del Aire alemán, especialmente debido a su escasa precisión, alcance y alto costo. El diseño original de Schmidt tenía el jet de pulso colocado en un fuselaje como un avión de combate moderno, a diferencia del eventual V-1, que tenía el motor colocado sobre la ojiva y el fuselaje. [ cita necesaria ]
La empresa Argus comenzó a trabajar basándose en el trabajo de Schmidt. Otros fabricantes alemanes que trabajaron en propulsores y bombas voladoras similares fueron The Askania Company, Robert Lusser de Fieseler , Dr. Fritz Gosslau de Argus y la compañía Siemens , que se combinaron para trabajar en el V-1. [7]
Con Schmidt trabajando ahora para Argus, el pulsejet se perfeccionó y fue conocido oficialmente por su designación RLM como Argus As 109-014. El primer lanzamiento sin motor se produjo en Peenemünde el 28 de octubre de 1942 y el primer vuelo con motor el 10 de diciembre de 1942. [ cita necesaria ]
Se evaluó que el pulsejet ofrecía un excelente equilibrio entre costo y función: un diseño simple que funcionaba bien por un costo mínimo. [7] Funcionaría con cualquier grado de petróleo y el sistema de obturador de encendido no estaba diseñado para durar más allá de la vida operativa normal de vuelo del V-1 de una hora. Aunque generó un empuje insuficiente para el despegue, el chorro resonante del V-1 podía funcionar mientras estaba parado en la rampa de lanzamiento. El diseño resonante simple basado en la relación (8,7:1) entre el diámetro y la longitud del tubo de escape funcionó para perpetuar el ciclo de combustión y alcanzó una frecuencia de resonancia estable de 43 ciclos por segundo . El motor producía 2200 N (490 lb f ) de empuje estático y aproximadamente 3300 N (740 lb f ) en vuelo. [7]
El encendido en el As 014 se realizaba mediante una única bujía de automóvil, montada aproximadamente a 75 cm (30 pulgadas) detrás del conjunto de válvulas montadas en la parte delantera. La chispa sólo funcionaba para la secuencia de arranque del motor; El Argus As 014, como todos los jets de pulso, no requería bobinas de encendido ni magnetos para su encendido; la fuente de ignición era la cola de la bola de fuego anterior durante el recorrido. La carcasa del motor no proporcionaba suficiente calor para provocar una ignición del combustible tipo diésel , ya que en un motor de chorro pulsante la compresión es insignificante. [ cita necesaria ]
El conjunto de válvulas Argus As 014 se basó en un sistema de obturador que operaba a la frecuencia de 43 a 45 ciclos por segundo del motor. [ cita necesaria ]
Tres boquillas de aire en la parte delantera del Argus As 014 estaban conectadas a una fuente externa de alta presión para arrancar el motor. El combustible utilizado para la ignición fue acetileno , teniendo los técnicos que colocar un deflector de madera o cartón en el tubo de escape para detener la difusión de acetileno antes de la ignición completa. Una vez que el motor se encendió y se alcanzó la temperatura mínima de funcionamiento , se retiraron las mangueras y conectores externos.
El V-1, al ser un misil de crucero, carecía de tren de aterrizaje; en cambio, el Argus As 014 se lanzó sobre una rampa inclinada propulsada por una catapulta de vapor accionada por pistón . La energía de vapor para disparar el pistón se generó mediante la violenta reacción química exotérmica creada cuando se combinan peróxido de hidrógeno y permanganato de potasio (denominados T-Stoff y Z-Stoff ).
El principal uso militar del motor de chorro de pulsos, con la producción en volumen de la unidad Argus As 014 (el primer motor de chorro de pulsos jamás producido en volumen), fue su uso con la bomba voladora V-1 . El zumbido característico del motor le valió el apodo de "bomba zumbadora" o "doodlebug". El V-1 fue un misil de crucero alemán utilizado en la Segunda Guerra Mundial , el más famoso en el bombardeo de Londres en 1944. Los motores Pulsejet, al ser baratos y fáciles de construir, fueron la elección obvia para los diseñadores del V-1, dada la necesidad de los alemanes. escasez de materiales y una industria sobrecargada en esa etapa de la guerra. Los diseñadores de misiles de crucero modernos no eligen motores de impulsos para su propulsión, prefiriendo turborreactores o motores de cohetes . Los únicos otros usos del pulsejet que alcanzaron la etapa de hardware en la Alemania nazi fueron el Messerschmitt Me 328 y un proyecto experimental Einpersonenfluggerät para el Heer alemán .
El personal técnico de Wright Field realizó ingeniería inversa al V-1 a partir de los restos de uno que no había logrado detonar en Gran Bretaña. El resultado fue la creación del JB-2 Loon , con la estructura construida por Republic Aviation , y el motor de chorro de pulsos de reproducción Argus As 014, conocido por su designación estadounidense PJ31 , fabricado por Ford Motor Company .
Al general Hap Arnold de las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos le preocupaba que esta arma pudiera construirse en acero y madera, en 2000 horas hombre y con un costo aproximado de 600 dólares estadounidenses (en 1943). [7]
Los motores Pulsejet se caracterizan por su simplicidad, bajo costo de construcción y altos niveles de ruido. Si bien la relación empuje-peso es excelente, el consumo de combustible específico del empuje es muy pobre. El pulsejet utiliza el ciclo Lenoir , que, al carecer de un controlador de compresión externo como el pistón del ciclo Otto o la turbina de compresión del ciclo Brayton , impulsa la compresión con resonancia acústica en un tubo. Esto limita la relación máxima de presión de precombustión a aproximadamente 1,2 a 1.
Los altos niveles de ruido generalmente los hacen poco prácticos para aplicaciones que no sean militares y otras aplicaciones igualmente restringidas. [8] Sin embargo, los jets de pulso se utilizan a gran escala como sistemas de secado industriales, y ha habido un resurgimiento en el estudio de estos motores para aplicaciones tales como calefacción de alto rendimiento, conversión de biomasa y sistemas de energía alternativa, ya que los jets de pulso pueden funcionar con casi cualquier cosa que arda, incluidos combustibles particulados como aserrín o carbón en polvo.
Se han utilizado pulsorreactores para propulsar helicópteros experimentales, cuyos motores están acoplados a los extremos de las palas del rotor. Al proporcionar energía a los rotores de los helicópteros, los impulsores tienen la ventaja sobre los motores de turbina o de pistón de no producir par sobre el fuselaje , ya que no aplican fuerza al eje, sino que empujan las puntas. Entonces se puede construir un helicóptero sin rotor de cola y su transmisión y eje motriz asociados, simplificando la aeronave ( aún es necesario el control cíclico y colectivo del rotor principal). Este concepto se estaba considerando ya en 1947, cuando la American Helicopter Company comenzó a trabajar en su prototipo de helicóptero XA-5 Top Sergeant propulsado por motores de chorro de pulsos en las puntas del rotor. [9] El XA-5 voló por primera vez en enero de 1949 y fue seguido por el XA-6 Buck Private con el mismo diseño de pulsorreactor. También en 1949, Hiller Helicopters construyó y probó el Hiller Powerblade, el primer rotor de chorro a presión de ciclo caliente del mundo. Hiller cambió a estatorreactores montados en la punta, pero American Helicopter desarrolló el XA-8 bajo un contrato con el ejército de los EE. UU. Voló por primera vez en 1952 y era conocido como XH-26 Jet Jeep . Utilizaba chorros de pulso XPJ49 montados en las puntas del rotor. El XH-26 cumplió todos sus principales objetivos de diseño, pero el Ejército canceló el proyecto debido al inaceptable nivel de ruido de los impulsores y al hecho de que el arrastre de los impulsores en las puntas del rotor hacía que los aterrizajes con autorrotación fueran muy problemáticos. Se ha afirmado que la propulsión con punta de rotor reduce el coste de producción de los aviones de ala giratoria a una décima parte del coste de producción de los aviones de ala giratoria de propulsión convencional. [8]
Los Pulsejets también se han utilizado en modelos de aviones controlados por radio y de línea de control . El récord de velocidad para un modelo de avión propulsado por pulsorreactores de línea de control es superior a 200 millas por hora (322 km/h).
La velocidad de un jet pulsado controlado por radio que vuela libremente está limitada por el diseño de admisión del motor. Alrededor de 450 km/h (280 mph), los sistemas de válvulas de la mayoría de los motores con válvulas dejan de cerrarse completamente debido a la presión del aire comprimido, lo que resulta en una pérdida de rendimiento.
La geometría de admisión variable permite que el motor produzca plena potencia en la mayoría de las velocidades optimizando cualquier velocidad a la que el aire ingrese al pulsejet. Los diseños sin válvulas no se ven afectados tan negativamente por la presión del aire del ariete como otros diseños, ya que nunca tuvieron la intención de detener el flujo que sale de la entrada y pueden aumentar significativamente la potencia a alta velocidad.
Otra característica de los motores de impulsos es que su empuje se puede aumentar mediante un conducto de forma especial colocado detrás del motor. El conducto actúa como un ala anular , que equilibra el empuje pulsante, aprovechando las fuerzas aerodinámicas en el escape pulsejet. El conducto, normalmente llamado aumentador, puede aumentar significativamente el empuje de un impulsor sin consumo adicional de combustible. Es posible obtener aumentos del 100% en el empuje, lo que resulta en una eficiencia de combustible mucho mayor . Sin embargo, cuanto más grande es el conducto aumentador, más resistencia produce y sólo es efectivo dentro de rangos de velocidad específicos.
Los motores de pulsorreactor con válvula utilizan una válvula mecánica para controlar el flujo de escape en expansión, lo que obliga al gas caliente a salir de la parte trasera del motor a través del tubo de escape únicamente, y permite que entre aire fresco y más combustible a través de la admisión a medida que la inercia del El escape que se escapa crea un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación. Esto aspira aire y combustible adicionales entre pulsos.
El pulsador con válvula comprende una admisión con una disposición de válvula unidireccional. Las válvulas evitan que el gas explosivo de la mezcla de combustible encendida en la cámara de combustión salga e interrumpa el flujo de aire de admisión, aunque en todos los jets con válvulas prácticos se produce cierto "retroceso" cuando funcionan estáticamente o a baja velocidad, ya que las válvulas no pueden cerrarse lo suficientemente rápido. para evitar que algo de gas salga por la entrada. Los gases de escape sobrecalentados salen a través de un tubo de escape acústicamente resonante .
La válvula de admisión suele ser una válvula de láminas . Las dos configuraciones más comunes son la válvula de margarita y la rejilla de válvula rectangular. Una válvula de margarita consiste en una fina lámina de material que actúa como caña, cortada en forma de margarita estilizada con "pétalos" que se ensanchan hacia sus extremos. Cada "pétalo" cubre un orificio de entrada circular en su punta. La válvula de margarita está atornillada al colector a través de su centro. Aunque es más fácil de construir a pequeña escala, es menos eficaz que una rejilla de válvulas.
La frecuencia del ciclo depende principalmente de la longitud del motor. Para un motor de modelo pequeño, la frecuencia puede ser de alrededor de 250 pulsos por segundo, mientras que para un motor más grande, como el utilizado en la bomba voladora alemana V-1 , la frecuencia estaba más cerca de 45 pulsos por segundo. El sonido de baja frecuencia producido hizo que los misiles fueran apodados "bombas zumbadoras".
Los motores de chorro de pulsos sin válvulas no tienen partes móviles y usan solo su geometría para controlar el flujo de escape que sale del motor. Los impulsores sin válvulas expulsan el escape tanto de la admisión como del escape, pero la mayor parte de la fuerza producida sale a través de la sección transversal más amplia del escape. La mayor cantidad de masa que sale del escape más ancho tiene más inercia que el flujo hacia atrás que sale de la admisión, lo que le permite producir un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación, invirtiendo el flujo de la admisión en su dirección correcta, y por lo tanto, ingieren más aire y combustible. Esto sucede decenas de veces por segundo.
El pulsador sin válvulas funciona según el mismo principio que el pulsador con válvula, pero la "válvula" es la geometría del motor. El combustible, en forma de gas o líquido atomizado , se mezcla con el aire en la entrada o se inyecta directamente en la cámara de combustión . Arrancar el motor generalmente requiere aire forzado y una fuente de ignición, como una bujía, para la mezcla de aire y combustible. Con los diseños de motores fabricados modernos, se puede hacer que casi cualquier diseño tenga arranque automático proporcionando al motor combustible y una chispa de encendido, arrancando el motor sin aire comprimido. Una vez en marcha, el motor sólo requiere entrada de combustible para mantener un ciclo de combustión autosostenible.
El ciclo de combustión consta de cinco o seis fases según el motor: Inducción, Compresión, Inyección de combustible (opcional), Encendido, Combustión y Escape.
Comenzando con el encendido dentro de la cámara de combustión, la combustión de la mezcla de aire y combustible aumenta una alta presión.
La reacción inercial de este flujo de gas hace que el motor proporcione empuje, fuerza que se utiliza para impulsar una estructura de avión o una pala de rotor. La inercia de los gases de escape provoca una baja presión en la cámara de combustión. Esta presión es menor que la presión de entrada (aguas arriba de la válvula unidireccional), por lo que comienza la fase de inducción del ciclo.
En los motores pulsadores más simples, esta admisión se realiza a través de un venturi , lo que hace que el combustible se extraiga de un suministro de combustible. En motores más complejos, el combustible puede inyectarse directamente en la cámara de combustión. Cuando está en marcha la fase de inducción, se inyecta combustible en forma atomizada en la cámara de combustión para llenar el vacío formado por la salida de la bola de fuego anterior; El combustible atomizado intenta llenar todo el tubo, incluido el tubo de escape. Esto hace que el combustible atomizado en la parte trasera de la cámara de combustión "destelle" cuando entra en contacto con los gases calientes de la columna de gas anterior; este destello resultante "cierra de golpe" las válvulas de láminas o, en el caso de diseños sin válvulas, detiene el flujo de combustible hasta que se forma un vacío y el ciclo se repite.
Los pulsadores sin válvula vienen en varias formas y tamaños, con diferentes diseños adecuados para diferentes funciones. Un motor sin válvulas típico tendrá uno o más tubos de admisión, una sección de cámara de combustión y una o más secciones de tubos de escape.
El tubo de admisión toma aire y lo mezcla con combustible para quemar, y también controla la expulsión de los gases de escape, como una válvula, limitando el flujo pero sin detenerlo por completo. Mientras se quema la mezcla de combustible y aire, la mayor parte del gas en expansión sale del tubo de escape del motor. Debido a que los tubos de admisión también expulsan gas durante el ciclo de escape del motor, la mayoría de los motores sin válvulas tienen las tomas orientadas hacia atrás para que el empuje creado aumente el empuje general, en lugar de reducirlo.
La combustión crea dos frentes de ondas de presión, uno que viaja por el tubo de escape más largo y otro por el tubo de admisión corto. Al "ajustar" adecuadamente el sistema (diseñando adecuadamente las dimensiones del motor), se puede lograr un proceso de combustión resonante.
Si bien algunos motores sin válvulas son conocidos por consumir mucho combustible, otros diseños utilizan significativamente menos combustible que un pulsorreactor con válvula, y un sistema diseñado adecuadamente con componentes y técnicas avanzadas puede rivalizar o superar la eficiencia de combustible de los pequeños motores turborreactores.
Un motor sin válvulas diseñado correctamente sobresaldrá en vuelo ya que no tiene válvulas, y la presión del aire comprimido al viajar a alta velocidad no hace que el motor deje de funcionar como un motor con válvulas. Pueden alcanzar velocidades máximas más altas, y algunos diseños avanzados son capaces de funcionar a Mach 0,7 o posiblemente más.
La ventaja del pulsejet de tipo acústico es la simplicidad. Como no hay piezas móviles que se desgasten, son más fáciles de mantener y de construir.
Los Pulsejets se utilizan hoy en día en aviones teledirigidos , aviones modelo de línea de control de vuelo (así como aviones controlados por radio), generadores de niebla y equipos de calefacción doméstica y de secado industrial. Debido a que los pulsojets son una forma eficiente y sencilla de convertir combustible en calor, los experimentadores los están utilizando para nuevas aplicaciones industriales, como la conversión de combustible de biomasa y sistemas de calderas y calentadores. [ cita necesaria ]
Algunos experimentadores continúan trabajando en diseños mejorados. Los motores son difíciles de integrar en diseños de aviones comerciales con tripulación debido al ruido y la vibración, aunque destacan en los vehículos sin tripulación de menor escala.
El motor de detonación por impulsos (PDE) marca un nuevo enfoque hacia los motores a reacción no continuos y promete una mayor eficiencia de combustible en comparación con los motores a reacción turbofan , al menos a velocidades muy altas. Pratt & Whitney y General Electric tienen ahora programas activos de investigación de PDE. La mayoría de los programas de investigación de PDE utilizan motores de chorro de pulsos para probar ideas en las primeras etapas de la fase de diseño.
Boeing tiene una tecnología patentada de motor de chorro de pulso llamada Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), que propone utilizar motores de chorro de pulso para la elevación vertical en aviones VTOL militares y comerciales. [10]
