Un motor pulsorreactor (o jet pulsante ) es un tipo de motor a reacción en el que la combustión se produce en pulsos . Un motor pulsorreactor puede fabricarse con pocas [1] o ninguna pieza móvil , [2] [3] [4] y es capaz de funcionar de forma estática (es decir, no necesita que se le fuerce el paso de aire por su entrada, normalmente mediante un movimiento hacia delante). El ejemplo más conocido es el Argus As 109-014 utilizado para propulsar la bomba volante V-1 de la Alemania nazi .
Los motores pulsorreactores son una forma liviana de propulsión a chorro, pero generalmente tienen una relación de compresión pobre y, por lo tanto, brindan un impulso específico bajo .
Los dos tipos principales de motores pulsorreactores utilizan combustión resonante y aprovechan los productos de la combustión para formar un chorro de escape pulsante que produce empuje de forma intermitente.
El tradicional motor de pulsorreactor con válvulas tiene válvulas unidireccionales por las que pasa el aire entrante. Cuando se enciende la mezcla de combustible, las válvulas se cierran, lo que significa que los gases calentados solo pueden salir por el tubo de escape del motor, creando así un empuje hacia adelante.
El segundo tipo es el pulsorreactor sin válvulas. [5] Los términos técnicos para este motor son pulsorreactor de tipo acústico o pulsorreactor con válvula aerodinámica.
Una línea de investigación notable incluye el motor de detonación de pulso , que implica detonaciones repetidas en el motor y que potencialmente puede brindar una alta compresión y una eficiencia razonablemente buena.
El inventor ruso y oficial de artillería retirado Nikolaj Afanasievich Teleshov patentó un motor de pulsorreactor de vapor en 1867, mientras que el inventor sueco Martin Wiberg también reivindica la invención del primer pulsorreactor, en Suecia, pero los detalles no están claros.
El primer reactor de pulso funcional fue patentado en 1906 por el ingeniero ruso V. V. Karavodin, quien completó un modelo funcional en 1907.
El inventor francés Georges Marconnet patentó su motor de pulsorreactor sin válvulas en 1908. Fue el abuelo de todos los pulsorreactores sin válvulas. El grupo de investigación de propulsión francés Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation ( SNECMA ) experimentó con el pulsorreactor sin válvulas a fines de la década de 1940.
Ramón Casanova, en Ripoll , España , patentó un motor de pulsorreactor en Barcelona en 1917, habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor de pulsorreactor en 1931 y lo demostró en una bicicleta propulsada por chorro. [6] El ingeniero Paul Schmidt fue pionero en un diseño más eficiente basado en la modificación de las válvulas de admisión (o flaps), lo que le valió el apoyo gubernamental del Ministerio del Aire alemán en 1933. [7]
El primer uso generalizado del avión no tripulado sin válvulas fue el avión no tripulado holandés Aviolanda AT-21 [8].
En 1934, Georg Hans Madelung y Paul Schmidt, que trabajaba en Múnich, propusieron al Ministerio del Aire alemán una "bomba volante" propulsada por el pulsorreactor de Schmidt. El Ministerio del Aire alemán rechazó el prototipo de bomba de Schmidt porque no les interesaba desde una perspectiva táctica y lo consideraba técnicamente dudoso. El diseño original de Schmidt tenía el pulsorreactor colocado en un fuselaje como un caza a reacción moderno, a diferencia del V-1, que tenía el motor colocado sobre la ojiva y el fuselaje. [9]
La empresa Argus comenzó a trabajar basándose en el trabajo de Schmidt. Otros fabricantes alemanes que trabajaban en pulsorreactores y bombas volantes similares eran la empresa Askania, Robert Lusser de Fieseler , el Dr. Fritz Gosslau de Argus y la empresa Siemens , que se unieron para trabajar en el V-1. [7]
Cuando Schmidt empezó a trabajar para Argus, el avión de pulsorreactor se perfeccionó y se lo conoció oficialmente con su designación RLM como Argus As 109-014. El primer lanzamiento sin motor tuvo lugar en Peenemünde el 28 de octubre de 1942, el primer vuelo con motor el 10 de diciembre de 1942 y el primer lanzamiento con motor el 24 de diciembre de 1942. [10]
El pulsorreactor fue evaluado como un excelente equilibrio entre costo y función: un diseño simple que funcionaba bien por un costo mínimo. [7] Podía funcionar con cualquier grado de petróleo y el sistema de obturador de ignición no estaba destinado a durar más allá de la vida útil de vuelo operacional normal del V-1 de una hora. Aunque generaba un empuje insuficiente para el despegue, el chorro resonante del V-1 podía operar mientras estaba estacionario en la rampa de lanzamiento. El diseño resonante simple basado en la relación (8,7:1) del diámetro a la longitud del tubo de escape funcionó para perpetuar el ciclo de combustión y alcanzó una frecuencia de resonancia estable a 43 ciclos por segundo . El motor produjo 2200 N (490 lb f ) de empuje estático y aproximadamente 3300 N (740 lb f ) en vuelo. [7]
El encendido del As 014 se producía mediante una única bujía de encendido para automóviles, montada aproximadamente a 75 cm (30 pulgadas) detrás del conjunto de válvulas montado en la parte delantera. La chispa solo funcionaba para la secuencia de arranque del motor; el Argus As 014, como todos los motores de chorro de pulso, no requería bobinas de encendido ni magnetos para el encendido, ya que la fuente de ignición era la cola de la bola de fuego anterior durante el funcionamiento. La carcasa del motor no proporcionaba suficiente calor para provocar la ignición del combustible de tipo diésel , ya que hay una compresión insignificante dentro de un motor de chorro de pulso. [ cita requerida ]
El conjunto de válvulas Argus As 014 se basaba en un sistema de obturador que funcionaba a 47 ciclos por segundo. [10]
Tres boquillas de aire en la parte delantera del Argus As 014 se conectaron a una fuente externa de alta presión para poner en marcha el motor. El combustible utilizado para la ignición fue acetileno , y los técnicos tuvieron que colocar un deflector de madera o cartón en el tubo de escape para evitar que el acetileno se difundiera antes de que se produjera la ignición completa. Una vez que el motor se encendió y se alcanzó la temperatura mínima de funcionamiento , se retiraron las mangueras y los conectores externos.
El V-1, al ser un misil de crucero, carecía de tren de aterrizaje, por lo que el Argus As 014 se lanzaba sobre una rampa inclinada impulsada por una catapulta de vapor accionada por pistón . La energía de vapor para disparar el pistón se generaba mediante la violenta reacción química exotérmica creada cuando se combinan el peróxido de hidrógeno y el permanganato de potasio (denominados T-Stoff y Z-Stoff ).
El principal uso militar del motor de pulsorreactor, con la producción en serie de la unidad Argus As 014 (el primer motor de pulsorreactor en producción en serie), fue para su uso con la bomba volante V-1 . El característico zumbido del motor le valió los apodos de "bomba zumbadora" o "doodlebug". El V-1 fue un misil de crucero alemán utilizado en la Segunda Guerra Mundial , el más famoso en el bombardeo de Londres en 1944. Los motores de pulsorreactor, al ser baratos y fáciles de construir, fueron la opción obvia para los diseñadores del V-1, dada la escasez de materiales de los alemanes y la sobrecarga de la industria en esa etapa de la guerra. Los diseñadores de misiles de crucero modernos no eligen motores de pulsorreactor para la propulsión, prefiriendo turborreactores o motores de cohete . Los únicos otros usos del pulsorreactor que llegaron a la etapa de hardware en la Alemania nazi fueron el Messerschmitt Me 328 y un proyecto experimental Einpersonenfluggerät para el Heer alemán .
El personal técnico de Wright Field realizó ingeniería inversa del V-1 a partir de los restos de uno que no había detonado en Gran Bretaña. El resultado fue la creación del JB-2 Loon , con la estructura del avión construida por Republic Aviation y el motor de pulsorreactor de reproducción Argus As 014, conocido por su designación estadounidense PJ31 , fabricado por Ford Motor Company .
El general Hap Arnold de las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos estaba preocupado de que esta arma pudiera construirse con acero y madera, en 2000 horas-hombre y con un costo aproximado de 600 dólares estadounidenses (equivalente a 10.565 dólares en 2023). [7]
En 2024, la empresa derivada de la Universidad de Maryland, Wave Engine Corporation, entregó cuatro de sus motores J-1 a un cliente. El J-1 es un motor de pulsorreactor controlado digitalmente para su uso en vehículos aéreos no tripulados (UAV). [11]
Los motores pulsejet se caracterizan por su simplicidad, bajo costo de construcción y altos niveles de ruido. Si bien la relación empuje-peso es excelente, el consumo específico de combustible por empuje es muy bajo. El pulsejet utiliza el ciclo Lenoir , que, al carecer de un impulsor de compresión externo como el pistón del ciclo Otto o la turbina de compresión del ciclo Brayton , impulsa la compresión con resonancia acústica en un tubo. Esto limita la relación máxima de presión de precombustión a alrededor de 1,2 a 1.
Los altos niveles de ruido generalmente los hacen poco prácticos para otras aplicaciones que no sean militares y otras aplicaciones con restricciones similares. [8] Sin embargo, los pulsorreactores se utilizan a gran escala como sistemas de secado industrial, y ha habido un resurgimiento en el estudio de estos motores para aplicaciones como calefacción de alto rendimiento, conversión de biomasa y sistemas de energía alternativa, ya que los pulsorreactores pueden funcionar con casi cualquier cosa que se queme, incluidos combustibles particulados como aserrín o polvo de carbón.
Los pulsorreactores se han utilizado para propulsar helicópteros experimentales, con motores acoplados a los extremos de las palas del rotor. Al proporcionar energía a los rotores de los helicópteros, los pulsorreactores tienen la ventaja sobre los motores de turbina o de pistón de no producir par sobre el fuselaje, ya que no aplican fuerza al eje, sino que empujan las puntas. De este modo, se puede construir un helicóptero sin rotor de cola y su transmisión y eje de transmisión asociados, lo que simplifica la aeronave ( sigue siendo necesario el control cíclico y colectivo del rotor principal). Este concepto se estaba considerando ya en 1947, cuando la American Helicopter Company comenzó a trabajar en su prototipo de helicóptero XA-5 Top Sergeant propulsado por motores de pulsorreactor en las puntas del rotor. [12] El XA-5 voló por primera vez en enero de 1949 y fue seguido por el XA-6 Buck Private con el mismo diseño de pulsorreactor. También en 1949, Hiller Helicopters construyó y probó el Hiller Powerblade, el primer rotor de chorro de presión de ciclo caliente del mundo. Hiller cambió a estatorreactores montados en la punta, pero American Helicopter continuó desarrollando el XA-8 bajo un contrato del Ejército de los EE. UU. Voló por primera vez en 1952 y fue conocido como XH-26 Jet Jeep . Utilizaba pulsorreactores XPJ49 montados en las puntas del rotor. El XH-26 cumplió todos sus principales objetivos de diseño, pero el Ejército canceló el proyecto debido al nivel inaceptable de ruido de los pulsorreactores y al hecho de que la resistencia de los pulsorreactores en las puntas del rotor hacía que los aterrizajes en autorrotación fueran muy problemáticos. Se ha afirmado que la propulsión en la punta del rotor reduce el costo de producción de las aeronaves de ala giratoria a 1/10 del de las aeronaves de ala giratoria con motor convencional. [8]
Los pulsorreactores también se han utilizado en modelos de aviones tanto controlados por línea de control como por radiocontrol . El récord de velocidad de un modelo de avión controlado por pulsorreactores es superior a 200 millas por hora (322 km/h).
La velocidad de un motor de chorro de pulso controlado por radio que vuela libremente está limitada por el diseño de admisión del motor. A unos 450 km/h (280 mph), los sistemas de válvulas de la mayoría de los motores con válvulas dejan de cerrarse por completo debido a la presión del aire de admisión, lo que produce una pérdida de rendimiento.
La geometría de admisión variable permite que el motor produzca potencia máxima a la mayoría de las velocidades, ya que se optimiza para cualquier velocidad a la que el aire ingresa al turbo. Los diseños sin válvulas no se ven tan afectados negativamente por la presión de aire de entrada como otros diseños, ya que nunca fueron diseñados para detener el flujo que sale de la admisión y pueden aumentar significativamente la potencia a altas velocidades.
Otra característica de los motores pulsejet es que su empuje se puede aumentar mediante un conducto de forma especial colocado detrás del motor. El conducto actúa como un ala anular , que equilibra el empuje pulsante, aprovechando las fuerzas aerodinámicas en el escape del pulsejet. El conducto, normalmente llamado aumentador, puede aumentar significativamente el empuje de un pulsejet sin consumo adicional de combustible. Es posible obtener aumentos de empuje del 100%, lo que da como resultado una eficiencia de combustible mucho mayor . Sin embargo, cuanto más grande sea el conducto del aumentador, más resistencia produce y solo es eficaz dentro de rangos de velocidad específicos.
El J-1 es un dispositivo en forma de U diseñado para vehículos aéreos no tripulados con un peso bruto de hasta 90 kg (200 lb). Pesa 8,2 kg (18 lb) y mide 14 x 32 x 163 cm (5,5 x 12,5 x 64 pulgadas). Puede funcionar con combustibles como gasolina, bioetanol E85 o combustible para aviones. Su empuje alcanza hasta 240 N (55 lbf). Cuando el combustible se enciende, el aumento de temperatura y presión expulsa los gases calientes del dispositivo, lo que crea empuje. El vacío parcial resultante atrae aire fresco, preparándolo para el siguiente pulso. [11] La familia de motores se ha probado a velocidades de hasta 320 km/h (200 mph). [11]
Wave está trabajando en un segundo motor, el K-1, con un empuje de hasta 220 lbf (980 N) para un máximo de 1000 lb (450 kg). Afirma que esto beneficiará a aplicaciones comerciales más grandes y a una nueva clase de VTOL .
Los motores pulsorreactores con válvulas utilizan una válvula mecánica para controlar el flujo de gases de escape en expansión, lo que obliga a que los gases calientes salgan por la parte trasera del motor únicamente a través del tubo de escape y permite que entre aire fresco y más combustible a través de la entrada , ya que la inercia de los gases de escape crea un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación. Esto hace que entre aire y combustible adicionales entre pulsos.
El motor de chorro pulsado con válvulas consta de una entrada con una disposición de válvulas unidireccionales. Las válvulas evitan que el gas explosivo de la mezcla de combustible encendida en la cámara de combustión salga e interrumpa el flujo de aire de admisión, aunque en todos los motores de chorro pulsado con válvulas se produce un cierto "retroceso" cuando funcionan en estado estático o a baja velocidad, ya que las válvulas no se pueden cerrar lo suficientemente rápido para evitar que salga algo de gas por la entrada. Los gases de escape sobrecalentados salen por un tubo de escape acústicamente resonante .
La válvula de admisión es típicamente una válvula de lengüeta . Las dos configuraciones más comunes son la válvula de margarita y la válvula de rejilla rectangular. Una válvula de margarita consiste en una lámina delgada de material que actúa como lengüeta, cortada en forma de una margarita estilizada con "pétalos" que se ensanchan hacia sus extremos. Cada "pétalo" cubre un orificio de admisión circular en su punta. La válvula de margarita está atornillada al colector a través de su centro. Aunque es más fácil de construir a pequeña escala, es menos efectiva que una rejilla de válvulas.
La frecuencia del ciclo depende principalmente de la longitud del motor. En el caso de un motor de tipo pequeño, la frecuencia puede rondar los 250 pulsos por segundo, mientras que en el caso de un motor más grande, como el utilizado en la bomba volante alemana V-1 , la frecuencia se acercaba a los 45 pulsos por segundo. El sonido de baja frecuencia que producían hizo que los misiles recibieran el apodo de "bombas zumbadoras".
Los motores de pulsorreactor sin válvulas no tienen partes móviles y utilizan únicamente su geometría para controlar el flujo de escape que sale del motor. Los motores de pulsorreactor sin válvulas expulsan el escape tanto por la entrada como por el escape, pero la mayor parte de la fuerza producida sale por la sección transversal más ancha del escape. La mayor cantidad de masa que sale por el escape más ancho tiene más inercia que el flujo en reversa que sale por la entrada, lo que le permite producir un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación, invirtiendo el flujo de la entrada a su dirección adecuada y, por lo tanto, ingiriendo más aire y combustible. Esto sucede docenas de veces por segundo.
El motor de chorro de pulso sin válvulas funciona según el mismo principio que el motor de chorro de pulso con válvulas, pero la "válvula" es la geometría del motor. El combustible, en forma de gas o líquido atomizado , se mezcla con el aire en la admisión o se inyecta directamente en la cámara de combustión . Para arrancar el motor, normalmente se necesita aire forzado y una fuente de ignición, como una bujía, para la mezcla de combustible y aire. Con los diseños de motores fabricados en la actualidad, casi cualquier diseño puede ser de arranque automático proporcionando al motor combustible y una chispa de encendido, lo que permite arrancar el motor sin aire comprimido. Una vez en marcha, el motor solo necesita combustible para mantener un ciclo de combustión autosostenible.
El ciclo de combustión consta de cinco o seis fases dependiendo del motor: Inducción, Compresión, Inyección de combustible (opcional), Encendido, Combustión y Escape.
A partir del encendido dentro de la cámara de combustión, se genera una alta presión mediante la combustión de la mezcla de combustible y aire.
La reacción inercial de este flujo de gas hace que el motor proporcione empuje, fuerza que se utiliza para propulsar una estructura de avión o una pala de rotor. La inercia de los gases de escape que se desplazan provoca una baja presión en la cámara de combustión. Esta presión es menor que la presión de entrada (aguas arriba de la válvula unidireccional), y así comienza la fase de inducción del ciclo.
En los motores de chorro de pulso más simples, esta entrada se realiza a través de un venturi , que hace que el combustible se extraiga de un suministro de combustible. En los motores más complejos, el combustible puede inyectarse directamente en la cámara de combustión. Cuando la fase de inducción está en marcha, el combustible en forma atomizada se inyecta en la cámara de combustión para llenar el vacío formado por la salida de la bola de fuego anterior; el combustible atomizado intenta llenar todo el tubo, incluido el tubo de escape. Esto hace que el combustible atomizado en la parte trasera de la cámara de combustión "parpadee" al entrar en contacto con los gases calientes de la columna de gas precedente; este destello resultante "cierra de golpe" las válvulas de láminas o, en el caso de los diseños sin válvulas, detiene el flujo de combustible hasta que se forma un vacío y el ciclo se repite.
Los motores de chorro de pulso sin válvulas vienen en varias formas y tamaños, con diferentes diseños que se adaptan a distintas funciones. Un motor sin válvulas típico tendrá uno o más tubos de admisión, una sección de cámara de combustión y una o más secciones de tubos de escape.
El tubo de admisión toma aire y lo mezcla con combustible para que se produzca la combustión, y también controla la expulsión de los gases de escape, como una válvula, limitando el flujo pero sin detenerlo por completo. Mientras se quema la mezcla de combustible y aire, la mayor parte del gas en expansión se expulsa por el tubo de escape del motor. Debido a que el tubo o los tubos de admisión también expulsan gas durante el ciclo de escape del motor, la mayoría de los motores sin válvulas tienen las entradas orientadas hacia atrás para que el empuje creado se sume al empuje general, en lugar de reducirlo.
La combustión crea dos frentes de ondas de presión, uno que viaja por el tubo de escape más largo y otro por el tubo de admisión más corto. Si se "ajusta" correctamente el sistema (diseñando las dimensiones del motor correctamente), se puede lograr un proceso de combustión resonante.
Si bien algunos motores sin válvulas son conocidos por consumir muchísimo combustible, otros diseños utilizan significativamente menos combustible que un motor pulsorreactor con válvula, y un sistema correctamente diseñado con componentes y técnicas avanzadas puede rivalizar o superar la eficiencia de combustible de los motores turborreactores pequeños [ cita requerida ] .
Un motor sin válvulas diseñado correctamente se destacará en vuelo, ya que no tiene válvulas y la presión del aire de admisión al viajar a alta velocidad no hace que el motor deje de funcionar como un motor con válvulas. Pueden alcanzar velocidades máximas más altas, y algunos diseños avanzados son capaces de operar a Mach 0,7 o posiblemente más.
La ventaja de los pulsorreactores de tipo acústico es su simplicidad. Como no tienen piezas móviles que se desgasten, son más fáciles de mantener y de construir.
Los pulsorreactores se utilizan hoy en día en aviones teledirigidos , modelos de aviones de control de vuelo (así como en aviones radiocontrolados), generadores de niebla [13] , equipos de secado industrial [14] y de calefacción doméstica. Debido a que los pulsorreactores son una forma eficiente y sencilla de convertir combustible en calor, los investigadores los están utilizando para nuevas aplicaciones industriales, como la conversión de combustible de biomasa y los sistemas de calderas y calentadores. [ cita requerida ]
Algunos experimentadores siguen trabajando en diseños mejorados. Los motores son difíciles de integrar en diseños de aviones comerciales tripulados debido al ruido y la vibración, aunque son mejores en los vehículos no tripulados de menor escala.
El motor de detonación por pulsos (PDE) supone un nuevo enfoque para los motores a reacción no continuos y promete una mayor eficiencia de combustible en comparación con los motores a reacción de turbofán , al menos a velocidades muy altas. Pratt & Whitney y General Electric tienen ahora programas de investigación de PDE activos. La mayoría de los programas de investigación de PDE utilizan motores a reacción de pulsos para probar ideas en las primeras fases de diseño.
Boeing tiene una tecnología patentada de motores de pulsorreactores llamada Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), que propone utilizar motores de pulsorreactores para la elevación vertical en aviones VTOL militares y comerciales. [15]
