Un motor a reacción de respiración de aire (o motor a reacción con conductos ) es un motor a reacción en el que el gas de escape que suministra la propulsión a chorro es aire atmosférico , que se aspira, se comprime, se calienta y se expande nuevamente a la presión atmosférica a través de una boquilla propulsora . La compresión puede ser proporcionada por una turbina de gas , como en el turborreactor original y el turbofan más nuevo , o surgir únicamente de la presión del ariete de la velocidad del vehículo, como con el estatorreactor y el impulsor .
Todos los prácticos motores a reacción que respiran aire calientan el aire quemando combustible. Alternativamente, se puede utilizar un intercambiador de calor , como en un motor a reacción de propulsión nuclear . La mayoría de los motores a reacción modernos son turbofan, que consumen menos combustible que los turborreactores porque el empuje suministrado por la turbina de gas se incrementa mediante el aire de derivación que pasa a través de un ventilador con conductos .
El motor a reacción de turbina de gas con respiración de aire original era el turborreactor . Fue un concepto que cobró vida gracias a dos ingenieros, Frank Whittle en Inglaterra y Hans von Ohain en Alemania . El turborreactor comprime y calienta el aire y luego lo expulsa como un chorro de alta velocidad y alta temperatura para generar empuje. Si bien estos motores son capaces de ofrecer altos niveles de empuje, son más eficientes a velocidades muy altas (más de Mach 1), debido a la naturaleza de bajo flujo de masa y alta velocidad del escape del jet.
Los turbofan modernos son una evolución del turborreactor; Se trata básicamente de turborreactores que incluyen una nueva sección denominada etapa de ventilador . En lugar de utilizar todos sus gases de escape para proporcionar empuje directo como un turborreactor, los motores turbofan extraen parte de la potencia de los gases de escape dentro del motor y la utilizan para alimentar la etapa del ventilador. La etapa del ventilador acelera un gran volumen de aire a través de un conducto, sin pasar por el núcleo del motor (el componente real de la turbina de gas del motor) y expulsándolo por la parte trasera como un chorro, creando empuje. Una proporción del aire que pasa a través de la etapa del ventilador ingresa al núcleo del motor en lugar de ser conducido hacia la parte trasera y, por lo tanto, se comprime y calienta; parte de la energía se extrae para alimentar los compresores y ventiladores, mientras que el resto se agota en la parte trasera. Este escape de gas caliente de alta velocidad se combina con el escape de aire frío de baja velocidad de la etapa del ventilador, y ambos contribuyen al empuje general del motor. Dependiendo de la proporción de aire frío que se desvía alrededor del núcleo del motor, un turbofan puede denominarse motor de derivación baja , derivación alta o derivación muy alta .
Los motores de baja derivación fueron los primeros motores turbofan producidos y proporcionan la mayor parte de su empuje a partir de los gases de escape del núcleo caliente, mientras que la etapa del ventilador solo lo complementa. Estos motores todavía se ven comúnmente en aviones de combate militares , porque tienen un área frontal más pequeña que crea menos resistencia al ariete a velocidades supersónicas , dejando más empuje producido por el motor para propulsar el avión. Sus niveles de ruido comparativamente altos y su consumo de combustible subsónico se consideran aceptables en tal aplicación, mientras que aunque la primera generación de aviones turbofan utilizaba motores de baja derivación, sus altos niveles de ruido y consumo de combustible significan que han perdido el favor de los aviones grandes. Los motores de alto bypass tienen una etapa de ventilador mucho más grande y proporcionan la mayor parte de su empuje a partir del aire canalizado del ventilador; El núcleo del motor proporciona energía a la etapa del ventilador y sólo una proporción del empuje total proviene de la corriente de escape del núcleo del motor.
En las últimas décadas, se ha producido un movimiento hacia motores de derivación muy alta , que utilizan ventiladores mucho más grandes que el propio núcleo del motor, que suele ser un diseño moderno y de alta eficiencia de dos o tres carretes. Esta alta eficiencia y potencia es lo que permite que ventiladores tan grandes sean viables, y el mayor empuje disponible (hasta 75.000 libras por motor en motores como el Rolls-Royce Trent XWB o General Electric GENx ), han permitido pasar a motores gemelos de gran tamaño. aviones de motor, como el Airbus A350 o el Boeing 777 , además de permitir que aviones bimotores operen en largas rutas sobre el agua , anteriormente dominio de los aviones de 3 o 4 motores .
Los motores a reacción fueron diseñados para propulsar aviones, pero se han utilizado para propulsar coches a reacción y lanchas a reacción para intentar batir récords de velocidad, e incluso para usos comerciales, como en los ferrocarriles para limpiar la nieve y el hielo de las vías de ferrocarril (montados en vagones especiales). y en pistas de carreras para secar la superficie de la pista después de la lluvia (montados en camiones especiales con el chorro de escape soplando sobre la superficie de la pista).
Los motores a reacción que respiran aire son casi siempre motores de combustión interna que obtienen propulsión a partir de la combustión de combustible dentro del motor. El oxígeno presente en la atmósfera se utiliza para oxidar una fuente de combustible, normalmente un combustible para aviones a base de hidrocarburos . [1] La mezcla en combustión se expande enormemente en volumen, impulsando aire caliente a través de una boquilla propulsora .
Motores propulsados por turbinas de gas :
Motor a reacción propulsado por Ram:
Motor a reacción de combustión pulsada:
Dos ingenieros, Frank Whittle en el Reino Unido y Hans von Ohain en Alemania , desarrollaron de forma independiente el concepto de turborreactor hasta convertirlo en motores prácticos a finales de la década de 1930.
Los turborreactores constan de una entrada, un compresor , una cámara de combustión, una turbina (que impulsa el compresor) y una boquilla propulsora. El aire comprimido se calienta en la cámara de combustión y pasa a través de la turbina, luego se expande en la boquilla para producir un chorro propulsor de alta velocidad [2]
Los turborreactores tienen una eficiencia de propulsión baja, por debajo de Mach 2 [ cita necesaria ] y producen mucho ruido, ambos como resultado de la muy alta velocidad del escape. Los aviones modernos propulsados por jet funcionan con turbofanes . Estos motores, con sus velocidades de escape más bajas, producen menos ruido y consumen menos combustible. Los turborreactores todavía se utilizan para propulsar misiles de crucero de alcance medio [ cita necesaria ] debido a su alta velocidad de escape, su baja área frontal, que reduce la resistencia, y su relativa simplicidad, que reduce el costo.
La mayoría de los motores a reacción modernos son turbofan. El compresor de baja presión (LPC), generalmente conocido como ventilador, comprime el aire en un conducto de derivación mientras su parte interna sobrealimenta el compresor central. El ventilador suele ser una parte integral de un LPC central de múltiples etapas. El flujo de aire de derivación pasa a una "boquilla fría" separada o se mezcla con los gases de escape de la turbina de baja presión, antes de expandirse a través de una "boquilla de flujo mixto".
En la década de 1960 había poca diferencia entre los motores a reacción civiles y militares, aparte del uso de postcombustión en algunas aplicaciones (supersónicas). Hoy en día, los turbofan se utilizan en aviones de pasajeros porque tienen una velocidad de escape que se adapta mejor a la velocidad de vuelo subsónico del avión. A velocidades de vuelo de aviones de línea, la velocidad de escape de un motor turborreactor es excesivamente alta y desperdicia energía. La menor velocidad de escape de un turbofan proporciona un mejor consumo de combustible. El mayor flujo de aire del ventilador proporciona un mayor empuje a bajas velocidades. La menor velocidad de escape también produce un ruido de chorro mucho menor.
El abanico frontal comparativamente grande tiene varios efectos. En comparación con un turborreactor de idéntico empuje, un turbofan tiene un caudal másico de aire mucho mayor y el flujo a través del conducto de derivación genera una fracción significativa del empuje. El aire del conducto adicional no se ha encendido, lo que le da una velocidad lenta, pero no se necesita combustible adicional para proporcionar este empuje. En cambio, la energía se toma del núcleo central, lo que también le proporciona una velocidad de escape reducida. La velocidad media del aire de escape mezclado se reduce así ( empuje específico bajo ), lo que supone un menor desperdicio de energía pero reduce la velocidad máxima. En general, un turbofan puede ser mucho más eficiente en cuanto a combustible y más silencioso, y resulta que el ventilador también permite disponer de un mayor empuje neto a bajas velocidades.
Por lo tanto, hoy en día los turbofan civiles tienen una velocidad de escape baja ( empuje específico bajo : empuje neto dividido por el flujo de aire) para mantener el ruido de los aviones al mínimo y mejorar la eficiencia del combustible . En consecuencia, la relación de derivación (flujo de derivación dividido por el flujo central) es relativamente alta (son comunes relaciones de 4:1 a 8:1), y el Rolls-Royce Trent XWB se acerca a 10:1. [3] Sólo se requiere una etapa de ventilador, porque un empuje específico bajo implica una relación de presión de ventilador baja.
Los turbofan de los aviones civiles suelen tener una zona frontal grande y pronunciada para dar cabida a un ventilador muy grande, ya que su diseño implica una masa de aire mucho mayor que pasa por alto el núcleo para que puedan beneficiarse de estos efectos, mientras que en los aviones militares , donde el ruido y la eficiencia son menores. Es importante en comparación con el rendimiento y la resistencia, una cantidad menor de aire generalmente pasa por alto el núcleo. Los turboventiladores diseñados para aviones civiles subsónicos también suelen tener un solo ventilador frontal, ya que su empuje adicional se genera mediante una gran masa adicional de aire, que sólo está moderadamente comprimida, en lugar de una cantidad menor de aire que está muy comprimida.
Los turbofan militares, sin embargo, tienen un empuje específico relativamente alto , para maximizar el empuje para un área frontal determinada, siendo el ruido de los aviones de menor preocupación en usos militares en comparación con los usos civiles. Normalmente se necesitan ventiladores multietapa para alcanzar la relación de presión del ventilador relativamente alta necesaria para un empuje específico alto. Aunque a menudo se emplean altas temperaturas de entrada a la turbina, la relación de derivación tiende a ser baja, normalmente significativamente menor que 2,0.
Los motores turbohélice son derivados de los motores a reacción, todavía turbinas de gas, que extraen trabajo del chorro de escape caliente para hacer girar un eje giratorio, que luego se utiliza para producir empuje por algún otro medio. Si bien no son estrictamente motores a reacción porque dependen de un mecanismo auxiliar para producir empuje, los turbohélices son muy similares a otros motores a reacción basados en turbinas y, a menudo, se describen como tales.
En los motores turbohélice, una parte del empuje del motor se produce haciendo girar una hélice , en lugar de depender únicamente del escape del jet de alta velocidad. Al producir empuje en ambos sentidos, los turbohélices a veces se denominan un tipo de motor a reacción híbrido. Se diferencian de los turbofan en que una hélice tradicional, en lugar de un ventilador con conductos, proporciona la mayor parte del empuje. La mayoría de los turbohélices utilizan una reducción de engranajes entre la turbina y la hélice. ( Los turbofan con engranajes también cuentan con reducción de engranajes, pero son menos comunes). El escape de chorro caliente es una minoría importante del empuje, y el empuje máximo se obtiene haciendo coincidir las dos contribuciones de empuje. [4] Los turbohélices generalmente tienen un mejor rendimiento que los turborreactores o turbofan a bajas velocidades donde la eficiencia de la hélice es alta, pero se vuelven cada vez más ruidosos e ineficientes a altas velocidades. [5]
Los motores de turboeje son muy similares a los turbohélices, y se diferencian en que casi toda la energía del escape se extrae para hacer girar el eje giratorio, que se utiliza para impulsar maquinaria en lugar de una hélice; por lo tanto, generan poco o ningún empuje del jet y, a menudo, se utilizan para impulsar helicópteros . [6]
Un motor propfan (también llamado "ventilador sin conductos", "rotor abierto" o "bypass ultra alto") es un motor a reacción que utiliza su generador de gas para alimentar un ventilador expuesto, similar a los motores turbohélice. Al igual que los motores turbohélice, los ventiladores de hélice generan la mayor parte de su empuje a partir de la hélice y no del chorro de escape. La principal diferencia entre el diseño de turbohélice y ventilador de hélice es que las palas de la hélice de un ventilador de hélice están muy barridas para permitirles operar a velocidades de alrededor de Mach 0,8, lo que es competitivo con los turbofan comerciales modernos. Estos motores tienen las ventajas de eficiencia de combustible de los turbohélices con la capacidad de rendimiento de los turbofan comerciales. [7] Si bien se han realizado importantes investigaciones y pruebas (incluidas pruebas de vuelo) en ventiladores de hélice, ninguno ha entrado en producción.
Componentes principales de un turborreactor, incluidas referencias a turbofan, turbohélice y turboeje:
Los diversos componentes mencionados anteriormente tienen limitaciones en cuanto a cómo se combinan para generar la mayor eficiencia o rendimiento. El rendimiento y la eficiencia de un motor nunca pueden tomarse de forma aislada; por ejemplo, la eficiencia de combustible/distancia de un motor a reacción supersónico se maximiza aproximadamente a Mach 2, mientras que la resistencia del vehículo que lo transporta aumenta como una ley del cuadrado y tiene una resistencia mucho mayor en la región transónica. Por tanto, la mayor eficiencia de combustible para todo el vehículo suele rondar Mach 0,85.
Para optimizar el motor para su uso previsto, aquí es importante el diseño de la entrada de aire, el tamaño total, el número de etapas del compresor (juegos de aspas), el tipo de combustible, el número de etapas de escape, la metalurgia de los componentes, la cantidad de aire de derivación utilizado, dónde se encuentra la derivación. se introduce aire y muchos otros factores. Un ejemplo es el diseño de la entrada de aire.
La termodinámica de un motor a reacción típico que respira aire se modela aproximadamente mediante un ciclo de Brayton , que es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento del motor de turbina de gas , que es la base del motor a reacción que respira aire y otros. Lleva el nombre de George Brayton (1830–1892), el ingeniero estadounidense que lo desarrolló, aunque fue propuesto y patentado originalmente por el inglés John Barber en 1791. [11] También se lo conoce a veces como ciclo de Joule .
El empuje neto nominal citado para un motor a reacción generalmente se refiere a la condición estática del nivel del mar (SLS), ya sea para la atmósfera estándar internacional (ISA) o para una condición de día caluroso (por ejemplo, ISA+10 °C). Como ejemplo, el GE90-76B tiene un empuje estático de despegue de 76.000 lbf (360 kN) en SLS, ISA+15 °C.
Naturalmente, el empuje neto disminuirá con la altitud, debido a la menor densidad del aire. Sin embargo, también existe un efecto de la velocidad de vuelo.
Inicialmente, a medida que el avión gana velocidad en la pista, habrá poco aumento en la presión y la temperatura de la boquilla, porque el aumento del ariete en la entrada es muy pequeño. También habrá pocos cambios en el flujo másico. En consecuencia, el empuje bruto de la tobera inicialmente sólo aumenta marginalmente con la velocidad de vuelo. Sin embargo, al ser un motor que respira aire (a diferencia de un cohete convencional), existe una penalización por tomar aire de la atmósfera a bordo. Esto se conoce como arrastre de ariete. Aunque la penalización es cero en condiciones estáticas, aumenta rápidamente con la velocidad de vuelo, lo que provoca que se erosione el empuje neto.
A medida que la velocidad de vuelo aumenta después del despegue, el aumento del ariete en la admisión comienza a tener un efecto significativo sobre la presión/temperatura de la boquilla y el flujo de aire de admisión, lo que hace que el empuje bruto de la boquilla aumente más rápidamente. Este término ahora comienza a compensar la resistencia al ariete aún creciente, lo que eventualmente causa que el empuje neto comience a aumentar. En algunos motores, el empuje neto a Mach 1,0, por ejemplo, al nivel del mar puede ser incluso ligeramente mayor que el empuje estático. Por encima de Mach 1,0, con un diseño de entrada subsónico, las pérdidas por impacto tienden a disminuir el empuje neto; sin embargo, una entrada supersónica diseñada adecuadamente puede ofrecer una reducción menor en la recuperación de la presión de entrada, permitiendo que el empuje neto continúe aumentando en el régimen supersónico.
Los motores a reacción suelen ser muy fiables y tienen un muy buen historial de seguridad. Sin embargo, a veces se producen fallos.
En algunos casos, en los motores a reacción, las condiciones en el motor debido al flujo de aire que ingresa al motor u otras variaciones pueden causar que las paletas del compresor se calen . Cuando esto ocurre, la presión en el motor sale más allá de las palas y el calado se mantiene hasta que la presión disminuye y el motor pierde todo el empuje. Las paletas del compresor normalmente saldrán de su calado y volverán a presurizar el motor. Si las condiciones no se corrigen, el ciclo normalmente se repetirá. Esto se llama aumento repentino . Dependiendo del motor, esto puede resultar muy perjudicial para el motor y generar vibraciones preocupantes para la tripulación.
Las fallas del ventilador, del compresor o de las palas de la turbina deben quedar contenidas dentro de la carcasa del motor. Para ello, el motor debe diseñarse para pasar las pruebas de contención de las palas según lo especificado por las autoridades de certificación. [12]
La ingestión de aves es el término utilizado cuando las aves entran en la entrada de un motor a reacción. Es un peligro común para la seguridad de los aviones y ha provocado accidentes mortales. En 1988 un Boeing 737 de Ethiopian Airlines ingirió palomas en ambos motores durante el despegue y luego se estrelló al intentar regresar al aeropuerto de Bahir Dar ; de las 104 personas a bordo, 35 murieron y 21 resultaron heridas. En otro incidente ocurrido en 1995, un Dassault Falcon 20 se estrelló en un aeropuerto de París durante un intento de aterrizaje de emergencia después de ingerir avefría en un motor, lo que provocó una falla en el motor y un incendio en el fuselaje del avión ; Las 10 personas a bordo murieron. [13]
Los motores a reacción deben diseñarse para resistir la ingestión de aves de un peso y número específicos, y para no perder más de una cantidad específica de empuje. El peso y número de aves que se pueden ingerir sin poner en peligro la seguridad del vuelo de la aeronave están relacionados con la zona de entrada del motor. [14] En 2009, un avión Airbus A320 , el vuelo 1549 de US Airways , ingirió un ganso canadiense en cada motor. El avión se hundió en el río Hudson después de despegar del Aeropuerto Internacional LaGuardia en la ciudad de Nueva York. No hubo víctimas mortales. El incidente ilustró los peligros de ingerir aves más allá del límite "diseñado".
El resultado de un evento de ingestión y si causa un accidente, ya sea en un avión pequeño y rápido, como un avión de combate militar , o en un transporte grande, depende del número y peso de las aves y de dónde golpean la envergadura de las aspas del ventilador o el cono de la nariz. El daño al núcleo suele producirse por impactos cerca de la raíz de la pala o en el cono de la punta.
Pocas aves vuelan alto, por lo que el mayor riesgo de ingestión de un ave es durante el despegue y el aterrizaje y durante el vuelo a baja altura.
Si un avión a reacción vuela a través de aire contaminado con ceniza volcánica , existe el riesgo de que la ceniza ingerida cause daños por erosión en las palas del compresor, bloqueo de los orificios de aire de las boquillas de combustible y bloqueo de los conductos de enfriamiento de la turbina. Algunos de estos efectos pueden hacer que el motor se acelere o se apague durante el vuelo. Los reencendidos suelen tener éxito después de que se apagan las llamas, pero con una pérdida considerable de altitud. Fue el caso del vuelo 9 de British Airways , que voló a través de polvo volcánico a 37.000 pies. Los 4 motores se apagaron y los intentos de volver a encenderlos tuvieron éxito a unos 13.000 pies. [15]
Una clase de falla que ha causado accidentes es la falla no contenida, donde las partes giratorias del motor se rompen y salen a través de la carcasa. Estas piezas de alta energía pueden cortar las líneas de combustible y control, y pueden penetrar la cabina. Aunque las líneas de combustible y control generalmente están duplicadas para mayor confiabilidad, el accidente del vuelo 232 de United Airlines se produjo cuando las líneas de fluido hidráulico de los tres sistemas hidráulicos independientes fueron cortadas simultáneamente por la metralla de una falla no contenida del motor. Antes del accidente del United 232, la probabilidad de una falla simultánea de los tres sistemas hidráulicos se consideraba de mil millones a uno. Sin embargo, los modelos estadísticos utilizados para llegar a esta cifra no tuvieron en cuenta el hecho de que el motor número dos estaba montado en la cola cerca de todas las líneas hidráulicas, ni la posibilidad de que una falla del motor liberara muchos fragmentos en muchas direcciones. . Desde entonces, los diseños de motores de avión más modernos se han centrado en evitar que la metralla penetre en el capó o los conductos, y han utilizado cada vez más materiales compuestos de alta resistencia para lograr la resistencia a la penetración requerida manteniendo al mismo tiempo el peso bajo.
En 2007, el costo del combustible para aviones , aunque muy variable de una aerolínea a otra, promedió el 26,5% de los costos operativos totales, lo que lo convierte en el mayor gasto operativo para la mayoría de las aerolíneas. [dieciséis]
Los motores a reacción suelen funcionar con combustibles fósiles y, por tanto, son una fuente de dióxido de carbono en la atmósfera. Los motores a reacción también pueden funcionar con biocombustibles o hidrógeno, aunque el hidrógeno suele producirse a partir de combustibles fósiles.
Aproximadamente el 7,2% del petróleo utilizado en 2004 fue consumido por motores a reacción. [17]
Algunos científicos [ ¿quién? ] creen que los motores a reacción también son una fuente de oscurecimiento global debido al vapor de agua en los gases de escape que provoca la formación de nubes. [ cita necesaria ]
Los compuestos de nitrógeno también se forman durante el proceso de combustión a partir de reacciones con el nitrógeno atmosférico. A bajas altitudes no se cree que esto sea especialmente dañino, pero en el caso de los aviones supersónicos que vuelan en la estratosfera puede ocurrir cierta destrucción del ozono.
También se emiten sulfatos si el combustible contiene azufre.
Un ramjet es una forma de motor a reacción que respira aire y utiliza el movimiento hacia adelante del motor para comprimir el aire entrante, sin un compresor rotativo. Los ramjets no pueden producir empuje a velocidad cero y, por lo tanto, no pueden mover un avión desde parado. Los ramjets requieren una velocidad de avance considerable para funcionar bien y, como clase, funcionan de manera más eficiente a velocidades de alrededor de Mach 3. Este tipo de jet puede operar hasta velocidades de Mach 6.
Constan de tres secciones; una entrada para comprimir el aire entrante, una cámara de combustión para inyectar y quemar combustible y una boquilla para expulsar los gases calientes y producir empuje. Los estatorreactores requieren una velocidad relativamente alta para comprimir eficientemente el aire entrante, por lo que no pueden funcionar en reposo y son más eficientes a velocidades supersónicas . Una característica clave de los motores ramjet es que la combustión se realiza a velocidades subsónicas. El aire entrante supersónico se ralentiza drásticamente a través de la entrada, donde luego se quema a velocidades subsónicas mucho más lentas. [18] Sin embargo, cuanto más rápido es el aire entrante, menos eficiente resulta reducirlo a velocidades subsónicas. Por lo tanto, los motores ramjet están limitados a aproximadamente Mach 5. [19]
Los estatorreactores pueden ser particularmente útiles en aplicaciones que requieren un motor pequeño y simple para uso a alta velocidad, como misiles , mientras que los diseñadores de armas buscan utilizar la tecnología estatorreactores en proyectiles de artillería para aumentar el alcance: se prevé que un proyectil de mortero de 120 mm, si fuera asistido por un estatorreactor, podría alcanzar un alcance de 35 km (22 mi). [20] También se han utilizado con éxito, aunque no de manera eficiente, como chorros de punta en rotores de helicópteros . [21] Los Pulsejets son motores subsónicos que también utilizan compresión ram, pero con combustión intermitente a diferencia de la combustión continua utilizada en un ramjet. Son un tipo bastante distinto de motor a reacción.
Los Scramjets son una evolución de los estatorreactores que pueden operar a velocidades mucho más altas que cualquier otro tipo de motor que respira aire. Comparten una estructura similar con los estatorreactores, siendo un tubo de forma especial que comprime aire sin partes móviles mediante compresión de aire ram. Consisten en una entrada, una cámara de combustión y una boquilla. La principal diferencia entre estatorreactores y scramjets es que los scramjets no reducen el flujo de aire entrante a velocidades subsónicas para la combustión. Por lo tanto, los scramjets no tienen el difusor que necesitan los estatorreactores para reducir el flujo de aire entrante a velocidades subsónicas. En su lugar , utilizan combustión supersónica y el nombre "scramjet" proviene de " Supersonic Combusting Ramjet " .
Los scramjets comienzan a funcionar a velocidades de al menos Mach 4 y tienen una velocidad máxima útil de aproximadamente Mach 17. [22] Debido al calentamiento aerodinámico a estas altas velocidades, el enfriamiento plantea un desafío para los ingenieros.
Dado que los scramjets utilizan combustión supersónica, pueden funcionar a velocidades superiores a Mach 6, donde los estatorreactores tradicionales son demasiado ineficientes. Otra diferencia entre los estatorreactores y los scramjets proviene de cómo cada tipo de motor comprime el flujo de aire que se aproxima: mientras que la entrada proporciona la mayor parte de la compresión para los estatorreactores, las altas velocidades a las que operan los scramjets les permiten aprovechar la compresión generada por las ondas de choque , principalmente. choques oblicuos . [23]
Se han construido y puesto en funcionamiento muy pocos motores scramjet. En mayo de 2010, el Boeing X-51 estableció el récord de resistencia del scramjet más largo con más de 200 segundos. [24]
El funcionamiento del turborreactor en toda la envolvente de vuelo desde cero hasta Mach 3+ requiere características que permitan que el compresor funcione correctamente a altas temperaturas de entrada superiores a Mach 2,5, así como a bajas velocidades de vuelo. [25] La solución del compresor J58 era purgar el flujo de aire de la cuarta etapa del compresor a velocidades superiores a Mach 2. [26] El flujo de purga, 20% a Mach 3, regresaba al motor a través de 6 tubos externos para enfriar el revestimiento del postquemador. y boquilla primaria, así como para proporcionar aire adicional para la combustión. [27] El motor J58 era el único motor turborreactor operativo, y estaba diseñado para funcionar de forma continua incluso con postcombustión máxima, para un crucero de Mach 3,2.
Una solución alternativa se ve en una instalación contemporánea, que no alcanzó el estado operativo, el Mach 3 GE YJ93/XB-70. Utilizaba un compresor de estator variable. [28] Otra solución más se especificó en una propuesta para un Phantom de reconocimiento Mach 3. Se trataba de refrigeración previa al compresor, aunque disponible por un período relativamente corto. [29] [30]
Los motores a reacción pueden funcionar con casi cualquier combustible. El hidrógeno es un combustible muy deseable porque, aunque la energía por mol no es inusualmente alta, la molécula es mucho más ligera que otras moléculas. La energía por kg de hidrógeno es el doble que la de los combustibles más comunes y esto proporciona el doble de impulso específico. Además, los motores a reacción que funcionan con hidrógeno son bastante fáciles de construir: el primer turborreactor funcionó con hidrógeno. Además, aunque no son motores de conductos, los motores de cohetes alimentados con hidrógeno han tenido un uso extensivo.
Sin embargo, en casi todos los demás aspectos, el hidrógeno es problemático. La desventaja del hidrógeno es su densidad; en forma gaseosa los tanques no son prácticos para el vuelo, pero incluso en forma de hidrógeno líquido tiene una densidad un catorceavo de la del agua. También es profundamente criogénico y requiere un aislamiento muy importante que impide que se almacene en alas. El vehículo en general terminaría siendo muy grande y difícil de acomodar para la mayoría de los aeropuertos. Finalmente, el hidrógeno puro no se encuentra en la naturaleza y debe fabricarse mediante reformado con vapor o electrólisis costosa . Algunos aviones experimentales propulsados por hidrógeno han volado con hélices y se han propuesto aviones a reacción que podrían ser factibles. [31]
Una idea originada por Robert P. Carmichael en 1955 [32] es que, en teoría, los motores alimentados con hidrógeno podrían tener un rendimiento mucho mayor que los motores alimentados con hidrocarburos si se utilizara un intercambiador de calor para enfriar el aire entrante. La baja temperatura permite utilizar materiales más ligeros, un mayor flujo de masa a través de los motores y permite que las cámaras de combustión inyecten más combustible sin sobrecalentar el motor.
Esta idea conduce a diseños plausibles como Reaction Engines SABRE , que podrían permitir vehículos de lanzamiento de una sola etapa a órbita , [33] y ATREX , que podría permitir que los motores a reacción se utilicen hasta velocidades hipersónicas y grandes altitudes para propulsores de vehículos de lanzamiento. . La UE también está investigando la idea de un concepto para lograr viajes supersónicos de pasajeros antípodas sin escalas a Mach 5 ( motores de reacción A2 ).
El turbocohete de aire es una forma de motor a reacción de ciclo combinado . El diseño básico incluye un generador de gas , que produce gas a alta presión, que impulsa un conjunto de turbina/compresor que comprime el aire atmosférico en una cámara de combustión. Luego, esta mezcla se quema antes de salir del dispositivo a través de una boquilla y crear empuje.
Hay muchos tipos diferentes de turbocohetes de aire. Los distintos tipos generalmente difieren en cómo funciona la sección del generador de gas del motor.
Los turbocohetes de aire a menudo se denominan turborreactores , cohetes turborreactores , expansores de turbocohetes y muchos otros. Como no hay consenso sobre qué nombres se aplican a qué conceptos específicos, varias fuentes pueden usar el mismo nombre para dos conceptos diferentes. [34]
Para especificar las RPM , o velocidades del rotor, de un motor a reacción, se utilizan comúnmente abreviaturas:
En muchos casos, en lugar de expresar las velocidades del rotor (N 1 , N 2 ) como RPM en las pantallas de la cabina , a los pilotos se les proporcionan las velocidades expresadas como un porcentaje de la velocidad del punto de diseño. Por ejemplo, a máxima potencia, el N 1 podría ser 101,5% o 100%. Esta decisión sobre la interfaz de usuario se tomó considerando factores humanos , ya que es más probable que los pilotos noten un problema con un porcentaje de dos o tres dígitos (donde 100 % implica un valor nominal) que con un RPM de cinco dígitos.