Un motor de detonación de pulso ( PDE ) es un tipo de sistema de propulsión que utiliza ondas de detonación para quemar la mezcla de combustible y oxidante . [1] [2]
El motor funciona con pulsos porque la mezcla debe renovarse en la cámara de combustión entre cada onda de detonación y la siguiente. En teoría, un PDE puede funcionar desde velocidades subsónicas hasta velocidades de vuelo hipersónicas de aproximadamente Mach 5. Un diseño de PDE ideal puede tener una eficiencia termodinámica mayor que otros diseños como turborreactores y turbofán porque una onda de detonación comprime rápidamente la mezcla y agrega calor a un volumen constante. En consecuencia, no se requieren necesariamente piezas móviles como carretes de compresor en el motor, lo que podría reducir significativamente el peso y el costo generales. Las cuestiones clave para un mayor desarrollo incluyen la mezcla rápida y eficiente del combustible y el oxidante, la prevención de la autoignición y la integración con una entrada y una boquilla.
Hasta mayo de 2023 [actualizar], no se ha puesto en producción ningún PDE práctico, pero se han construido varios motores de prueba y uno se integró con éxito en un avión de demostración de baja velocidad que voló en vuelo propulsado PDE sostenido en 2008.
Las PDE se han considerado para la propulsión desde 1940. [3]
El primer vuelo conocido de un avión propulsado por un motor de detonación de pulso tuvo lugar en el Mojave Air & Space Port el 31 de enero de 2008. [4] El proyecto fue desarrollado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea e Innovative Scientific Solutions, Inc. El avión seleccionado para el vuelo fue un Scaled Composites Long-EZ muy modificado , llamado Borealis . [5] El motor constaba de cuatro tubos que producían detonaciones de pulso a una frecuencia de 80 Hz, creando hasta 200 libras de empuje (890 newtons). Los desarrolladores del motor consideraron y probaron muchos combustibles en los últimos años, pero se utilizó un octanaje refinado para este vuelo. Se utilizó un pequeño sistema de cohetes para facilitar el despegue del Long-EZ, pero el PDE funcionó por su propia cuenta durante 10 segundos a una altitud de aproximadamente 100 pies (30 m). El vuelo se realizó a baja velocidad, mientras que el atractivo del concepto de motor PDE reside más en las altas velocidades, pero la demostración demostró que un PDE se puede integrar en el armazón de una aeronave sin experimentar problemas estructurales debido a las ondas de detonación de 195-200 dB. No se planean más vuelos para el Long-EZ modificado, pero es probable que el éxito impulse más fondos para la investigación del PDE. El avión en sí se ha trasladado al Museo Nacional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para su exhibición. [6]
En junio de 2008, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) presentó Blackswift , que pretendía utilizar esta tecnología para alcanzar velocidades de hasta Mach 6. [7] Sin embargo, se informó que el proyecto fue cancelado poco después, en octubre de 2008.
El funcionamiento básico del PDE es similar al del motor de chorro pulsado . En el chorro pulsado, el aire se mezcla con combustible para crear una mezcla inflamable que luego se enciende en una cámara abierta. La combustión resultante aumenta en gran medida la presión de la mezcla a aproximadamente 100 atmósferas (10 MPa), [8] que luego se expande a través de una boquilla para generar empuje.
Para garantizar que la mezcla salga por la parte trasera, impulsando así el avión hacia adelante, se utilizan una serie de obturadores para cerrar la parte delantera del motor. Un ajuste cuidadoso de la entrada garantiza que los obturadores se cierren en el momento adecuado para obligar al aire a viajar en una sola dirección a través del motor. Algunos diseños de chorro de pulso utilizan una cavidad resonante ajustada para proporcionar la acción de válvula a través del flujo de aire en el sistema. Estos diseños normalmente parecen un tubo en forma de U, abierto en ambos extremos.
En ambos sistemas, el chorro pulsante tiene problemas durante el proceso de combustión. A medida que el combustible se quema y se expande para crear empuje, también empuja hacia atrás, fuera de la tobera, cualquier carga restante que no se haya quemado. En muchos casos, parte de la carga se expulsa antes de quemarse, lo que provoca la famosa estela de llamas que se ve en la bomba volante V-1 y otros chorros pulsantes. Incluso dentro del motor, el volumen de la mezcla cambia constantemente, lo que convierte el combustible en energía utilizable de manera ineficiente.
Todos los motores a reacción regulares y la mayoría de los motores de cohetes funcionan con la deflagración del combustible, es decir, la combustión rápida pero subsónica del combustible . El motor de detonación por pulsos es un concepto actualmente [ ¿cuándo? ] en desarrollo activo para crear un motor a reacción que funcione con la detonación supersónica del combustible. Debido a que la combustión se produce tan rápidamente, la carga (mezcla de combustible y aire) no tiene tiempo de expandirse durante este proceso, por lo que se lleva a cabo a un volumen casi constante . La combustión a volumen constante es más eficiente que los diseños de ciclo abierto como las turbinas de gas , lo que conduce a una mayor eficiencia del combustible .
Como el proceso de combustión es tan rápido, es difícil instalar obturadores mecánicos con el rendimiento requerido. En cambio, las PDE generalmente utilizan una serie de válvulas para cronometrar el proceso con cuidado. [ cita requerida ]
La mayor parte de la investigación del PDE es de naturaleza militar, ya que el motor podría usarse para desarrollar una nueva generación de aviones de reconocimiento de alta velocidad y largo alcance que volarían lo suficientemente alto como para estar fuera del alcance de cualquier defensa antiaérea actual, al tiempo que ofrecerían un alcance considerablemente mayor que el SR-71 , que requería una enorme flota de apoyo de aviones cisterna. [ cita requerida ]
Las principales dificultades de los motores de detonación por pulsos son lograr la DDT sin requerir un tubo lo suficientemente largo como para que resulte poco práctico y suponga una resistencia para el avión (agregar una curva en U al tubo extingue la onda de detonación); reducir el ruido (que a menudo se describe como el sonido de un martillo neumático); y amortiguar la vibración severa causada por el funcionamiento del motor. [ cita requerida ]
Si el vehículo lleva tanto combustible como oxidante, un motor de detonación por pulsos es independiente de la atmósfera y puede utilizarse en vuelos espaciales . El 26 de julio de 2021 (UTC), la agencia espacial japonesa JAXA probó con éxito un motor de cohete de detonación por pulsos en el espacio en un vuelo de cohete de sondeo S-520 . [9] La etapa superior del cohete utilizó un motor de detonación rotatorio (RDE) como motor principal y se utilizó un motor de detonación por pulsos en forma de S para hacer girar la etapa después de la combustión del motor principal. El PDE funcionó tres veces en el vuelo durante un total de 14 ciclos. [10]