Desde que los hermanos Wright realizaron su primer vuelo a motor en 1903, se han utilizado muchas variantes de arranque de motores de aviación . Los métodos utilizados se diseñaron para ahorrar peso, simplificar el funcionamiento y garantizar la fiabilidad. Los primeros motores de pistón se arrancaban a mano. Entre la Primera y la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron sistemas de arranque manual con engranajes, eléctricos y accionados por cartuchos para motores más grandes.
Los motores de turbina de gas para aeronaves, como los turborreactores , turboejes y turbofán , suelen utilizar un arranque neumático o por aire, y el uso de aire purgado de las unidades de potencia auxiliares (APU) integradas o compresores de aire externos se considera ahora un método de arranque común. A menudo, solo es necesario arrancar un motor utilizando la APU (o el compresor remoto). Después de arrancar el primer motor utilizando el aire purgado de la APU, se puede utilizar el aire purgado cruzado del motor en funcionamiento para arrancar el o los motores restantes.
El arranque manual de los motores de pistón de los aviones mediante el balanceo de la hélice es el método más antiguo y sencillo; la ausencia de un sistema de arranque a bordo permite un ahorro de peso apreciable. La posición de la hélice con respecto al cigüeñal está dispuesta de tal manera que los pistones del motor pasan por el punto muerto superior durante el movimiento de balanceo.
Como el sistema de encendido normalmente está configurado para producir chispas antes del punto muerto superior, existe el riesgo de que el motor retroceda durante el arranque manual. Para evitar este problema, uno de los dos magnetos utilizados en un sistema de encendido de motor de avión típico está equipado con un " acoplamiento de impulso ". Este dispositivo accionado por resorte retrasa la chispa hasta el punto muerto superior y también aumenta la velocidad de rotación del magneto para producir una chispa más fuerte. Cuando el motor se enciende, el acoplamiento de impulso deja de funcionar y se enciende el segundo magneto. [1] A medida que los motores de avión aumentaron en capacidad (durante el período de entreguerras ), el balanceo de la hélice por una sola persona se volvió físicamente difícil, el personal de tierra se tomaba de las manos y tiraba en equipo o usaba una manga de lona colocada sobre una pala de la hélice, la manga tenía una longitud de cuerda atada al extremo de la punta de la hélice. [2] [3] Tenga en cuenta que esto es diferente del "giro" manual del motor de pistón radial, que se hace para liberar el aceite que ha quedado atrapado en los cilindros inferiores antes del arranque, para evitar dañar el motor. Los dos parecen similares, pero mientras que el arranque manual implica un tirón fuerte y brusco de la hélice para poner en marcha el motor, el giro se hace simplemente girando la hélice una cierta cantidad establecida.
Se han producido accidentes durante el arranque con una sola mano del piloto, con ajustes altos del acelerador, sin aplicar los frenos o sin utilizar calzos en las ruedas, todo lo cual ha provocado que el avión se ponga en marcha sin que el piloto esté a los mandos. [4] "Encender el motor" con el encendido y los interruptores dejados accidentalmente en "encendido" también puede causar lesiones, ya que el motor puede arrancar inesperadamente cuando se enciende una bujía. Si el interruptor no está en la posición de arranque, la chispa se producirá antes de que el pistón llegue al punto muerto superior, lo que puede obligar a la hélice a retroceder violentamente.
El arrancador Hucks (inventado por Bentfield Hucks durante la Primera Guerra Mundial) es un reemplazo mecánico para el personal de tierra. Basado en el chasis de un vehículo, el dispositivo utiliza un eje accionado por embrague para hacer girar la hélice, desacoplándose cuando el motor arranca. Un arrancador Hucks se utiliza regularmente en la Colección Shuttleworth para poner en marcha aviones de la época. [3]
Los planeadores motorizados autosuficientes (conocidos a menudo como "turbo") están equipados con pequeños motores de dos tiempos sin sistema de arranque; para realizar pruebas en tierra, se enrolla un cable alrededor del eje de la hélice y se tira de él rápidamente junto con las válvulas de descompresión en funcionamiento. Estos motores se ponen en marcha en vuelo haciendo funcionar el descompresor y aumentando la velocidad aerodinámica para hacer girar la hélice. Las primeras variantes del planeador motorizado Slingsby Falke utilizan un sistema de arranque manual montado en la cabina. [5]
Los aviones comenzaron a equiparse con sistemas eléctricos alrededor de 1930, alimentados por una batería y un pequeño generador impulsado por el viento . Los sistemas inicialmente no eran lo suficientemente potentes como para accionar motores de arranque. La introducción de generadores impulsados por motores resolvió el problema. [6]
La introducción de motores de arranque eléctricos para motores de aviación aumentó la comodidad a costa de un peso y una complejidad adicionales. Eran una necesidad para hidroaviones con motores montados en altura e inaccesibles. Alimentado por una batería de a bordo, suministro eléctrico terrestre o ambos, el motor de arranque se opera con una llave o interruptor en la cabina. El sistema de llave generalmente facilita la conmutación de los magnetos. [6] [7]
En condiciones ambientales frías, la fricción causada por el aceite viscoso del motor genera una gran carga en el sistema de arranque. Otro problema es la renuencia del combustible a vaporizarse y arder a bajas temperaturas. Se desarrollaron sistemas de dilución de aceite (mezclando el combustible con el aceite del motor) [8] y se utilizaron precalentadores de motor (incluso encendiendo fuegos debajo del motor). El sistema de bomba de cebado Ki-Gass se utilizó para ayudar al arranque de los motores británicos [9] .
Las aeronaves equipadas con hélices de paso variable o hélices de velocidad constante se ponen en marcha con paso fino para reducir las cargas de aire y la corriente en el circuito del motor de arranque. [ cita requerida ]
Muchas aeronaves ligeras están equipadas con una luz de advertencia de "motor de arranque activado" en la cabina, un requisito de aeronavegabilidad obligatorio para protegerse contra el riesgo de que el motor de arranque no se desacople del motor. [10]
El arrancador Coffman era un dispositivo que funcionaba con cartuchos explosivos, cuyos gases de combustión actuaban directamente en los cilindros para hacer girar el motor o bien a través de un mecanismo de engranajes. Introducido por primera vez en el motor diésel Junkers Jumo 205 en 1936, el arrancador Coffman no fue ampliamente utilizado por los operadores civiles debido al coste de los cartuchos. [11]
En 1920, Roy Fedden diseñó un sistema de arranque de gas con motor de pistón, utilizado en el motor Bristol Jupiter en 1922. [3] Un sistema utilizado en los primeros motores Rolls-Royce Kestrel conducía aire a alta presión desde una unidad de tierra a través de un distribuidor accionado por árbol de levas hasta los cilindros mediante válvulas antirretorno ; el sistema tenía desventajas que solo se superaron mediante la conversión al arranque eléctrico. [12]
Cuando es necesario poner en marcha un motor de pistón durante el vuelo, se puede utilizar el motor de arranque eléctrico. Este es un procedimiento normal para planeadores motorizados que han estado volando con el motor apagado. Durante las acrobacias con los primeros tipos de aeronaves, no era raro que el motor se parara durante las maniobras debido al diseño del carburador . Sin un motor de arranque eléctrico instalado, los motores se pueden volver a poner en marcha haciendo descender el avión para aumentar la velocidad aerodinámica y la velocidad de rotación de la hélice "de aspas de molino". [13]
El motor de arranque por inercia de un motor aeronáutico utiliza un volante de inercia pregirado para transferir energía cinética al cigüeñal, normalmente a través de engranajes reductores y un embrague para evitar condiciones de par excesivo. Se han utilizado tres variantes: accionado manualmente, accionado eléctricamente y una combinación de ambos. Cuando el volante de inercia está completamente activado, se tira de un cable manual o se utiliza un solenoide para activar el motor de arranque. [14]
Para poner en marcha un motor de turbina de gas es necesario girar el compresor a una velocidad que proporcione suficiente aire presurizado a las cámaras de combustión . El sistema de arranque tiene que superar la inercia del compresor y las cargas de fricción, el sistema permanece en funcionamiento después de que se inicia la combustión y se desactiva una vez que el motor ha alcanzado la velocidad de ralentí automático. [15] [16]
Se pueden utilizar dos tipos de motores de arranque eléctricos: de arranque directo (para desacoplar, como en los motores de combustión interna) y de sistema de arranque-generador (acoplado permanentemente). [17]
Los motores de turbina de gas pequeños, en particular los motores de turboeje utilizados en helicópteros y turborreactores de misiles de crucero , pueden ponerse en marcha mediante un motor hidráulico con engranajes que utiliza presión de aceite desde una fuente de tierra. [18]
En los sistemas de arranque por aire, los carretes del compresor de un motor de turbina de gas giran gracias a la acción de un gran volumen de aire comprimido que actúa directamente sobre las aspas del compresor o que impulsa el motor a través de un pequeño motor de turbina con engranajes . Estos motores pueden pesar hasta un 75% menos que un sistema eléctrico equivalente. [15]
El aire comprimido puede suministrarse desde una unidad de potencia auxiliar (APU) de a bordo, un generador de gas portátil utilizado por la tripulación de tierra o mediante la alimentación cruzada de aire purgado desde un motor en funcionamiento en el caso de aeronaves multimotor. [19]
El generador de gas Palouste de Turbomeca se utilizó para arrancar los motores Spey del Blackburn Buccaneer . El de Havilland Sea Vixen estaba equipado con su propio Palouste en un contenedor subalar extraíble para facilitar el arranque cuando se encontraba fuera de la base. [20] Otros tipos de aeronaves militares que utilizan aire comprimido suministrado desde tierra para el arranque incluyen el Lockheed F-104 Starfighter y variantes del F-4 Phantom que utilizan el motor turborreactor General Electric J79 .
Las versiones del motor turborreactor Rolls-Royce Avon utilizaban un motor de arranque con turbina engranada que quemaba nitrato de isopropilo como combustible. En el servicio militar, este monocombustible tenía la designación OTAN de S-746 AVPIN. Para el arranque se introducía una cantidad medida de combustible en la cámara de combustión del motor de arranque y luego se encendía eléctricamente; los gases calientes hacían girar la turbina a altas revoluciones y los gases de escape salían por la borda. [21]
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Similar en principio de funcionamiento al arranque Coffman del motor de pistón, un cartucho explosivo impulsa un pequeño motor de turbina que está conectado por engranajes al eje del compresor. [22]
Desarrolladas para aviones de pasajeros de corto recorrido, la mayoría de las aeronaves civiles y militares que requieren sistemas de arranque autónomos, estas unidades se conocen con varios nombres, entre ellos, unidad de potencia auxiliar (APU), arrancador de combustible para aviones (JFS), unidad de arranque por aire (ASU) o compresor de turbina de gas (GTC). [21] Estos dispositivos, que comprenden una pequeña turbina de gas que se pone en marcha eléctricamente, proporcionan aire comprimido para el arranque del motor y, a menudo, también proporcionan energía eléctrica e hidráulica para operaciones en tierra sin necesidad de hacer funcionar los motores principales. [23] Las ASU se utilizan hoy en día en el soporte terrestre civil y militar para servir a las aeronaves en el arranque del motor principal (MES) y el soporte neumático de aire purgado para el enfriamiento y la calefacción del sistema de control ambiental (ECS).
Una característica interesante de los tres diseños de motores a reacción alemanes que se produjeron de algún tipo antes de mayo de 1945: los diseños de motores turborreactores de flujo axial BMW 003 , Junkers Jumo 004 y Heinkel HeS 011, era el sistema de arranque, que consistía en un motor Riedel de dos tiempos, bicilíndrico plano y refrigerado por aire de 10 hp (7,5 kW) oculto en la admisión, y que funcionaba esencialmente como un ejemplo pionero de una unidad de potencia auxiliar (APU) para arrancar un motor a reacción: para el Jumo 004, un orificio en el extremo delantero del desviador de admisión contenía una manija manual con forma de D que arrancaba el motor de pistón, que a su vez hacía girar el compresor. [24] Se instalaron dos pequeños tanques de mezcla de gasolina y aceite en la admisión anular. [25]
El Lockheed SR-71 Blackbird utilizó dos Buick Nailheads como motores de arranque, que fueron montados en un carro AG-330 Start Kart, y más tarde con motores Chevrolet 454 V8 de bloque grande .
Los motores de turbina de gas pueden apagarse durante el vuelo, intencionalmente por la tripulación para ahorrar combustible o durante una prueba de vuelo o involuntariamente debido a la falta de combustible o a un apagado después de una pérdida del compresor .
Se utiliza una velocidad aerodinámica suficiente para hacer funcionar el compresor como un molino de viento, luego se enciende el combustible y se enciende el encendido; se puede utilizar una unidad de potencia auxiliar a bordo en altitudes elevadas donde la densidad del aire es menor. [16]
Durante las operaciones de ascenso rápido del Lockheed NF-104A, el motor a reacción se apagó al ascender a 85 000 pies (26 000 m) y se puso en marcha utilizando el método de molino de viento al descender a través de aire más denso. [26]
Los motores de chorro de pulso son motores de aviación poco comunes. Sin embargo, el Argus As 014 utilizado para propulsar la bomba volante V-1 y el Fieseler Fi 103R Reichenberg fueron una notable excepción. En este motor de chorro de pulso, tres toberas de aire en la sección delantera estaban conectadas a una fuente de aire de alta presión externa; para el arranque se utilizaba butano de un suministro externo; el encendido se lograba mediante una bujía ubicada detrás del sistema de obturador; la electricidad que llegaba a la bujía se suministraba desde una unidad de arranque portátil. [27]
Una vez que el motor arrancaba y la temperatura subía al nivel mínimo de funcionamiento, se quitaban la manguera de aire externa y los conectores, y el diseño resonante del tubo de escape mantenía encendido el chorro de pulso. Cada ciclo o pulso del motor comenzaba con las compuertas abiertas; se inyectaba combustible detrás de ellas y se encendía, y la expansión resultante de los gases obligaba a cerrar las compuertas. A medida que la presión en el motor caía después de la combustión, las compuertas se volvían a abrir y el ciclo se repetía, aproximadamente entre 40 y 45 veces por segundo. El sistema de encendido eléctrico se utilizaba solo para arrancar el motor; el calentamiento de la piel del tubo de escape mantenía la combustión. [27]
