Un pulsorreactor sin válvulas (o pulse jet ) es el dispositivo de propulsión a chorro más simple conocido . Los pulsorreactores sin válvulas son de bajo costo, livianos, potentes y fáciles de operar. Tienen todas las ventajas (y la mayoría de las desventajas) de los pulsorreactores con válvulas convencionales , pero sin las válvulas de lengüeta que necesitan un reemplazo frecuente; un pulsorreactor sin válvulas puede funcionar durante toda su vida útil con un mantenimiento prácticamente nulo. Se han utilizado para propulsar aviones modelo , karts experimentales [1] y aviones militares no tripulados como misiles de crucero y drones objetivo .
Un motor de chorro de pulso es un motor de reacción que respira aire y que emplea una secuencia continua de eventos de combustión discretos en lugar de un evento de combustión sostenida. Esto lo distingue claramente de otros tipos de motores de reacción, como cohetes , turborreactores y estatorreactores , que son todos dispositivos de combustión constante. Todos los demás motores de reacción se impulsan manteniendo una alta presión interna; los chorros de pulso se impulsan mediante una alternancia entre alta y baja presión. Esta alternancia no se mantiene mediante ningún artilugio mecánico, sino más bien por la resonancia acústica natural de la estructura rígida del motor tubular. El chorro de pulso sin válvulas es, mecánicamente hablando, la forma más simple de chorro de pulso y, de hecho, es el dispositivo de propulsión de respiración de aire más simple conocido que puede funcionar "estáticamente", es decir, sin movimiento hacia adelante.
Los eventos de combustión que impulsan un pulsorreactor a menudo se denominan informalmente explosiones ; sin embargo, el término correcto es deflagraciones . [2] No son detonaciones , que es el evento de combustión en los motores de detonación de pulso (PDE). La deflagración dentro de la zona de combustión de un pulsorreactor se caracteriza por un aumento repentino de la temperatura y la presión seguido de una rápida expansión subsónica en el volumen de gas. Es esta expansión la que realiza el trabajo principal de mover el aire hacia atrás a través del dispositivo, así como establecer las condiciones en el tubo principal para que el ciclo continúe.
Un motor de chorro de pulso funciona acelerando alternativamente una masa de aire contenida hacia atrás y luego inhalando una masa de aire fresco para reemplazarla. La energía para acelerar la masa de aire se obtiene mediante la deflagración del combustible mezclado completamente con la masa de aire fresco recién adquirida. Este ciclo se repite muchas veces por segundo. Durante la breve fase de aceleración de masa de cada ciclo, la acción física del motor es como la de otros motores de reacción: la masa de gas se acelera hacia atrás, lo que da como resultado una aplicación de fuerza hacia adelante en el cuerpo del motor. Estos pulsos de fuerza, que se repiten rápidamente a lo largo del tiempo, constituyen la fuerza de empuje medible del motor.
Algunas diferencias básicas entre los pulsorreactores con válvulas y sin válvulas son:
En un motor de chorro de pulso convencional con válvulas, como el de la infame bomba de explosión V-1 de la Segunda Guerra Mundial, hay dos conductos conectados a la zona de combustión donde se producen las deflagraciones. Estos conductos se conocen generalmente como la "admisión" (un conducto muy corto) y el "tubo de escape" (un conducto muy largo). La función de la admisión orientada hacia delante es proporcionar aire (y en muchos motores de chorro de pulso más pequeños, la acción de mezcla de combustible y aire) para la combustión. El propósito del tubo de escape orientado hacia atrás es proporcionar masa de aire para la aceleración por la explosión, así como dirigir la masa acelerada totalmente hacia atrás. La zona de combustión (generalmente una sección de "cámara" ensanchada) y el tubo de escape forman el tubo principal del motor. Una válvula unidireccional flexible de baja masa (o varias válvulas idénticas) separa la admisión de la zona de combustión.
Al principio de cada ciclo, se debe introducir aire en la zona de combustión. Al final de cada ciclo, el tubo de escape debe recargarse con aire de la atmósfera circundante. Ambas acciones básicas se llevan a cabo mediante una caída significativa de la presión que se produce de forma natural después de la expansión de la deflagración, un fenómeno conocido como el efecto Kadenacy (llamado así por el científico que lo describió por completo por primera vez). Esta baja presión temporal abre la válvula de metal y aspira el aire de admisión (o la mezcla de aire y combustible). También provoca una inversión del flujo en el tubo de escape que aspira aire fresco hacia adelante para rellenar el tubo. Cuando se produce la siguiente deflagración, el rápido aumento de la presión cierra la válvula muy rápidamente, lo que garantiza que casi no salga masa de explosión en la dirección delantera, por lo que la expansión de los gases de combustión se utilizará en su totalidad para acelerar la masa de aire reabastecida en el tubo de escape largo hacia atrás.
El motor de chorro de pulso sin válvulas no es realmente un motor sin válvulas, sino que simplemente utiliza la masa de aire del tubo de admisión como válvula, en lugar de una válvula mecánica. No puede hacer esto sin mover el aire de admisión hacia afuera, y este volumen de aire en sí mismo tiene una masa significativa, al igual que el aire del tubo de escape; por lo tanto, no es expulsado instantáneamente por la deflagración, sino que se acelera durante una fracción significativa del tiempo del ciclo. En todos los diseños de chorro de pulso sin válvulas conocidos y exitosos, la masa de aire de admisión es una pequeña fracción de la masa de aire del tubo de escape (debido a las dimensiones más pequeñas del conducto de admisión). Esto significa que la masa de aire de admisión se despejará del cuerpo del motor más rápido que la masa del tubo de escape. El desequilibrio cuidadosamente diseñado de estas dos masas de aire es importante para la sincronización adecuada de todas las partes del ciclo.
Cuando comienza la deflagración, una zona de presión significativamente elevada viaja hacia afuera a través de ambas masas de aire como una onda de compresión . Esta onda se mueve a la velocidad del sonido a través de las masas de aire de admisión y de escape. (Debido a que estas masas de aire están significativamente elevadas en temperatura como resultado de ciclos anteriores, la velocidad del sonido en ellas es mucho mayor que la que sería en el aire exterior normal). Cuando una onda de compresión alcanza el extremo abierto de cualquiera de los tubos, una onda de rarefacción de baja presión comienza de regreso en la dirección opuesta, como si se "reflejara" en el extremo abierto. Esta región de baja presión que regresa a la zona de combustión es, de hecho, el mecanismo interno del efecto Kadenacy . No habrá "respiración" de aire fresco en la zona de combustión hasta la llegada de la onda de rarefacción.
El movimiento de las ondas a través de las masas de aire no debe confundirse con los movimientos separados de las propias masas. Al comienzo de la deflagración, la onda de presión se mueve inmediatamente a través de ambas masas de aire, mientras que la expansión de los gases (debido al calor de la combustión) está comenzando en la zona de combustión. La masa de aire de admisión se acelerará rápidamente hacia afuera detrás de la onda de presión, porque su masa es relativamente pequeña. La masa de aire del tubo de escape seguirá la onda de presión saliente mucho más lentamente. Además, la eventual inversión del flujo se producirá mucho antes en la admisión, debido a su menor masa de aire. La sincronización de los movimientos de las ondas está determinada básicamente por las longitudes de la admisión y el tubo principal del motor; la sincronización de los movimientos de las masas está determinada principalmente por los volúmenes y las formas exactas de estas secciones. Ambos se ven afectados por las temperaturas locales de los gases .
En el motor sin válvulas, en realidad habrá dos llegadas de ondas de rarefacción: primero, desde la admisión y luego desde el tubo de escape. En los diseños típicos sin válvulas, la onda que regresa desde la admisión será relativamente débil. Su efecto principal es iniciar la inversión del flujo en la propia admisión, en efecto "precargando" el conducto de admisión con aire fresco del exterior. La respiración real del motor en su conjunto no comenzará en serio hasta que la principal onda de baja presión del tubo de escape llegue a la zona de combustión. Una vez que eso sucede, comienza una inversión significativa del flujo, impulsada por la caída de la presión en la zona de combustión.
Durante esta fase también se produce una diferencia de acción entre las masas muy diferentes en la admisión y el tubo de escape. La masa de aire de admisión es de nuevo bastante baja, pero ahora está compuesta casi en su totalidad por aire exterior; por lo tanto, el aire fresco está disponible casi de inmediato para comenzar a rellenar la zona de combustión desde el frente. La masa de aire del tubo de escape también es aspirada, invirtiendo finalmente también la dirección. El tubo de escape nunca se purgará por completo de los gases de combustión calientes, pero al invertirse podrá aspirar fácilmente aire fresco desde todos los lados alrededor de la abertura del tubo de escape, por lo que su masa contenida aumentará gradualmente hasta el siguiente evento de deflagración. A medida que el aire fluye rápidamente hacia la zona de combustión, la onda de rarefacción se refleja hacia atrás por la parte delantera del cuerpo del motor y, a medida que se mueve hacia atrás, la densidad del aire en la zona de combustión aumenta naturalmente hasta que la presión de la mezcla de aire y combustible alcanza un valor en el que puede comenzar de nuevo la deflagración.
En los diseños prácticos no hay necesidad de un sistema de encendido continuo : la zona de combustión nunca se purga totalmente de los gases de combustión y los radicales libres , por lo que hay suficiente acción química en los residuos de la zona de combustión para actuar como encendedor para la siguiente explosión una vez que la mezcla alcanza una densidad y presión razonables: el ciclo se repite, controlado solo por la sincronización de los eventos de presión y flujo en los dos conductos.
Si bien es teóricamente posible tener un motor de este tipo sin una "cámara de combustión" diferenciada más grande que el diámetro del tubo de escape, todos los motores sin válvulas diseñados con éxito hasta ahora tienen una cámara ensanchada de algún tipo, similar a la que se encuentra en los diseños típicos de motores con válvulas. La cámara generalmente ocupa una fracción bastante pequeña de la longitud total del tubo principal.
La aceleración de la masa de aire que vuelve a pasar por el conducto de admisión no tiene sentido para el empuje del motor si la admisión está orientada hacia delante, ya que el empuje de admisión es una fracción bastante grande del empuje del tubo de escape. Se han utilizado varias geometrías de motor para hacer que las fuerzas de empuje de los dos conductos actúen en la misma dirección. Un método sencillo es hacer girar el motor y luego hacer una curva en U en el tubo de escape, de modo que ambos conductos viertan hacia atrás, como en los tipos Ecrevisse y Lockwood (también conocidos como Lockwood-Hiller). Los diseños Escopette y Kentfield utilizan recuperadores (tubos auxiliares en forma de U) montados delante de las tomas de aire delanteras para hacer que la ráfaga y el flujo de admisión giren hacia atrás. Los estilos denominados "chinos" y Thermojet simplemente montan la admisión en la cámara en una dirección de vertido hacia atrás, dejando intacta la cara delantera de la cámara. Sin embargo, el funcionamiento interno básico del motor con estas geometrías no es diferente del descrito anteriormente. El Lockwood es único en un aspecto: su entrada de gran diámetro (el empuje de este gran tubo no es inferior al 40 por ciento del empuje total del motor). Sin embargo, el volumen del tubo de escape de este diseño es bastante grande, por lo que el desequilibrio de las masas contenidas sigue siendo claramente visible.
La mayoría de los motores de chorro de pulso utilizan tubos de admisión y escape independientes. Un diseño físicamente más simple combina la abertura de admisión y escape. Esto es posible debido al comportamiento oscilante de un motor de pulso. Una abertura puede actuar como tubo de escape durante la fase de alta presión del ciclo de trabajo y como admisión durante la fase de aspiración. Este diseño de motor es menos eficiente en esta forma primitiva debido a su falta de un tubo resonante y, por lo tanto, a la falta de ondas acústicas de compresión y succión reflejadas. Sin embargo, funciona bastante bien con un instrumento simple como un tarro de mermelada con una tapa perforada y combustible dentro, de ahí el nombre.
Se han probado versiones exitosas del chorro del tarro de mermelada en una botella de plástico. La botella es mucho menos eficiente que las versiones del tarro de mermelada y no puede mantener un chorro decente durante más de unos pocos segundos. Se teoriza que el alcohol que se utilizó para operar el chorro simple actuó como una barrera para evitar que el calor llegara hasta el plástico. Para que el diseño del chorro del tarro de mermelada funcione, el propulsor debe vaporizarse para encenderse, lo que generalmente se hace agitando el chorro, lo que hace que el propulsor cubra el recipiente, lo que le da cierta validez a la teoría. [ cita requerida ]
Se han construido con éxito motores de chorro de pulso sin válvulas desde unos pocos centímetros de longitud hasta tamaños enormes, aunque los más grandes y pequeños no se han utilizado para la propulsión. Los más pequeños solo tienen éxito cuando se emplean combustibles de combustión extremadamente rápida ( acetileno o hidrógeno , por ejemplo). Se pueden hacer motores de tamaño mediano y grande para quemar casi cualquier material inflamable que pueda entregarse uniformemente a la zona de combustión, aunque, por supuesto, los líquidos inflamables volátiles ( gasolina , queroseno , varios alcoholes ) y los gases combustibles estándar ( GLP , propano , butano , gas MAPP ) son los más fáciles de usar. Debido a la naturaleza de deflagración de la combustión de chorro de pulso, estos motores son combustores extremadamente eficientes, que prácticamente no producen contaminantes peligrosos, aparte de CO 2 [ cita requerida ] , incluso cuando se utilizan combustibles de hidrocarburos . Con metales modernos de alta temperatura para la estructura principal, el peso del motor se puede mantener extremadamente bajo. Sin la presencia de una válvula mecánica, los motores prácticamente no requieren mantenimiento continuo para seguir operativos.
Hasta el momento, el tamaño físico de los diseños exitosos sin válvulas siempre ha sido algo mayor que el de los motores con válvulas para el mismo valor de empuje, aunque esto no es teóricamente un requisito. Al igual que los pulsorreactores con válvulas, el calor (los motores a menudo funcionan al rojo vivo) y los niveles de ruido operacional muy altos (140 decibeles son posibles) [2] son algunas de las mayores desventajas de estos motores. Se requiere un sistema de encendido de algún tipo para el arranque del motor. En los tamaños más pequeños, también suele necesitarse aire forzado en la admisión para el arranque. Todavía hay mucho margen de mejora en el desarrollo de diseños realmente eficientes y totalmente prácticos para usos de propulsión.
Una posible solución al problema actual de la ineficiencia de los pulsorreactores sería tener dos pulsorreactores en uno, con cada chorro comprimiendo la mezcla de combustible y aire en el otro, y ambos extremos descargando en una cámara común a través de la cual el aire fluye en un solo sentido. Esto podría permitir potencialmente relaciones de compresión mucho más altas, mejor eficiencia de combustible y mayor empuje. [3]