La propulsión a chorro es la propulsión de un objeto en una dirección, producida al expulsar un chorro de fluido en la dirección opuesta. Según la tercera ley de Newton , el cuerpo en movimiento es propulsado en la dirección opuesta al chorro. Los motores de reacción que funcionan según el principio de propulsión a chorro incluyen el motor a reacción utilizado para la propulsión de aeronaves , el chorro de bombeo utilizado para la propulsión marina y el motor de cohete y el propulsor de plasma utilizados para la propulsión de naves espaciales . La propulsión a chorro submarina también la utilizan varios animales marinos, incluidos los cefalópodos y las salpas , y el calamar volador incluso muestra el único ejemplo conocido de vuelo aéreo propulsado por chorro en el reino animal.
La propulsión a chorro se produce en algunos motores de reacción o en animales cuando el empuje se genera mediante un chorro de fluido que se mueve rápidamente de acuerdo con las leyes de movimiento de Newton . Es más eficaz cuando el número de Reynolds es alto, es decir, el objeto que se propulsa es relativamente grande y pasa a través de un medio de baja viscosidad. [1]
En los animales, los chorros más eficientes son los pulsados, en lugar de los continuos, [2] al menos cuando el número de Reynolds es mayor que 6. [3]
El impulso específico (generalmente abreviado I sp ) es una medida de la eficacia con la que un cohete utiliza el propulsor o un motor a reacción utiliza el combustible. Por definición, es el impulso total (o cambio en el momento ) entregado por unidad de propulsor consumido [4] y es dimensionalmente equivalente al empuje generado dividido por el caudal másico del propulsor o el caudal de peso. [5] Si se utiliza la masa ( kilogramo , libra-masa o slug ) como unidad de propulsor, entonces el impulso específico tiene unidades de velocidad . Si se utiliza el peso ( newton o libra-fuerza ) en su lugar, entonces el impulso específico tiene unidades de tiempo (segundos). Multiplicar el caudal por la gravedad estándar ( g 0 ) convierte el impulso específico de la base de masa a la base de peso. [5]
Un sistema de propulsión con un impulso específico más alto utiliza la masa del propulsor de manera más efectiva para crear empuje hacia adelante y, en el caso de un cohete, se necesita menos propulsor para un delta-v dado , según la ecuación del cohete de Tsiolkovsky . [4] [6] En los cohetes, esto significa que el motor es más efectivo para ganar altitud, distancia y velocidad. Esta efectividad es menos importante en los motores a reacción que emplean alas y usan aire exterior para la combustión y transportan cargas útiles que son mucho más pesadas que el propulsor.
El impulso específico incluye la contribución al impulso proporcionado por el aire externo que se ha utilizado para la combustión y se agota con el combustible gastado. Los motores a reacción utilizan aire exterior y, por lo tanto, tienen un impulso específico mucho mayor que los motores de cohetes. El impulso específico en términos de masa de combustible gastado tiene unidades de distancia por tiempo, que es una velocidad artificial llamada "velocidad de escape efectiva". Esta es mayor que la velocidad de escape real porque no se tiene en cuenta la masa del aire de combustión. La velocidad de escape real y efectiva son las mismas en los motores de cohetes que no utilizan aire.
El impulso específico es inversamente proporcional al consumo específico de combustible (SFC) por la relación I sp = 1/( g o ·SFC) para SFC en kg/(N·s) e I sp = 3600/SFC para SFC en lb/(lbf·hr).
De la definición de empuje de impulso específico en unidades del SI se obtiene:
donde V e es la velocidad de escape efectiva y es el caudal de propulsor.
Los motores de reacción producen empuje al expulsar masa de reacción sólida o fluida ; la propulsión a chorro se aplica únicamente a los motores que utilizan masa de reacción fluida.
Un motor a reacción es un motor de reacción que utiliza el aire ambiente como fluido de trabajo y lo convierte en un gas caliente a alta presión que se expande a través de una o más boquillas . Técnicamente, la mayoría de los motores a reacción son turbinas de gas , que funcionan según el ciclo Brayton . Dos tipos de motores a reacción, el turborreactor y el turbofán , emplean compresores de flujo axial o centrífugos para aumentar la presión antes de la combustión y turbinas para impulsar la compresión. Los estatorreactores funcionan solo a altas velocidades de vuelo porque omiten los compresores y las turbinas, dependiendo en cambio de la presión dinámica generada por la alta velocidad (conocida como compresión de ariete). Los pulsorreactores también omiten los compresores y las turbinas, pero pueden generar empuje estático y tienen una velocidad máxima limitada.
El cohete es capaz de operar en el vacío del espacio porque depende de que el vehículo lleve su propio oxidante en lugar de utilizar el oxígeno del aire, o en el caso de un cohete nuclear , calienta un propulsor inerte (como hidrógeno líquido ) forzándolo a pasar a través de un reactor nuclear .
Los propulsores de plasma aceleran el plasma por medios electromagnéticos .
El motor de bomba-chorro, utilizado para la propulsión marina , utiliza agua como fluido de trabajo, presurizado por una hélice conducida , una bomba centrífuga o una combinación de ambas.
Los cefalópodos, como los calamares, utilizan la propulsión a chorro para escapar rápidamente de los depredadores ; utilizan otros mecanismos para nadar lentamente. El chorro se produce expulsando agua a través de un sifón , que normalmente se estrecha hasta formar una pequeña abertura para producir la máxima velocidad de exhalación. El agua pasa por las branquias antes de la exhalación, cumpliendo así el doble propósito de respiración y locomoción. [1] Las liebres marinas (moluscos gasterópodos) emplean un método similar, pero sin la sofisticada maquinaria neurológica de los cefalópodos, navegan de forma algo más torpe. [1]
Algunos peces teleósteos también han desarrollado propulsión a chorro, pasando agua a través de las branquias para complementar el movimiento impulsado por las aletas. [7] : 201
En algunas larvas de libélulas , la propulsión a chorro se logra mediante la expulsión de agua desde una cavidad especializada a través del ano. Dado el pequeño tamaño del organismo, se logra una gran velocidad. [8]
Las vieiras y los cardíidos , [9] los sifonóforos , [10] los tunicados (como las salpas ), [11] [12] y algunas medusas [13] [14] [15] también emplean propulsión a chorro. Los organismos propulsados por chorro más eficientes son las salpas, [11] que utilizan un orden de magnitud menor de energía (por kilogramo por metro) que los calamares. [16]
La medida de la eficacia del combustible de un cohete se denomina impulso específico (abreviado como 'ISP', o más correctamente Isp)... 'El impulso específico de masa... describe la eficacia de producción de empuje de una reacción química y se puede pensar más fácilmente como la cantidad de fuerza de empuje producida por cada libra (masa) de combustible y propulsor oxidante quemado en una unidad de tiempo. Es algo así como una medida de millas por galón (mpg) para cohetes.'
