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Martes, 4 noviembre 2014
Aeronáutica

Sistemas propulsivos aeronáuticos

Artículo escrito por Carlos Ganado Alcocer, ingeniero aeronáutico.

 

La historia de la aviación va íntimamente ligada a los sistemas de propulsión aeronáuticos. Dichos sistemas, los motores, permiten suministrar el empuje necesario para crear una velocidad tal que la aeronave se sustente en el aire. Básicamente en propulsión aeronáutica se utilizan todos los tipos de motores térmicos que existen, también se utilizan en las aeronaves motores eléctricos pero su uso se restringe a actividades de menor potencia que la de la propulsión, tales como motores de arranque o el movimiento de algunos sistemas menores (de momento, aunque hay mucha inversión destinada a la investigación de motores eléctricos para suministrar empuje a las aeronaves).

 

Los tipos de motores más utilizados en la propulsión aeronáutica son: motor alternativo y el motor de reacción.

 

El motor alternativo es el de pistones de cuatro tiempos, típico de los coches, motos y barcos y se utiliza en algunos aviones pequeños, avionetas y helicópteros. No proporciona gran empuje y en general su eficiencia disminuye mucho con la velocidad y la altura. Hasta la segunda guerra mundial este es el único motor utilizado en las aeronaves. La técnica de propulsión consiste básicamente en obtener potencia del motor alternativo, transmitirla a un eje, el cual iba solidariamente unido a una hélice tallada de tal forma que diera la máxima eficiencia para su perfil típico de velocidades. Esta hélice es en último término, la responsable de la propulsión ya con su movimiento empuja al aire hacia detrás del avión y como reacción el avión se mueve hacia delante.

 

[Img #23301]
 

El motor más usado en aeronaves desde que nace en la segunda guerra mundial es el motor de reacción. Los motores de reacción se pueden clasificar de la siguiente forma:

 

Motores de reacción formados por:

 

•    Motores no autónomos (aerorreactores): necesitan masas exteriores al sistema para propulsarse (aire).

Con sistema de compresión: Sin sistema de compresión:
- turborreactor
- turbohélice
- turbofán 
- con postcombustión
- estatorreactor
- pulsorreactor

 

•    Motores autónomos (motores cohete): no necesitan ningún aporte de masa exterior para propulsarse y por lo tanto eyectan una parte de su propia masa al exterior en el sentido contrario al de su movimiento.

- propulsión química
- propulsión nuclear
- propulsión eléctrica
- propulsión iónica

 

 

Básicamente, el ciclo termodinámico que utilizan los aerorreactores para funcionar es siguiente: se toma aire del exterior a través del difusor, se comprime en el compresor, se le hace pasar por la cámara de combustión mezclado con combustible y se quema para elevar la temperatura y presión, a continuación, pasa por la turbina donde disminuye la presión y temperatura a cambio de proporcionar la potencia mecánica para mover el compresor, y finalmente se expulsa a gran velocidad a través de la tobera. Lo que dice la ecuación de la cantidad de movimiento aplicada al aerorreactor es que la diferencia de velocidades del fluido (aire) entre la entrada y la salida da lugar a una fuerza, que es el empuje que permite el movimiento de la aeronave: E= (G + c)Vs – G Vo , donde E es el empuje, G y c son gasto másico, es decir, la masa de aire y combustible que el motor consume por unidad de tiempo, y Vo y Vs son la velocidad de entrada y salida de los gases del aerorreactor. Por tanto, este proceso en el cual se eleva la presión y temperatura del aire para eyectarlo a gran velocidad, tiene como consecuencia la generación de la fuerza necesaria para mover la aeronave.

 

[Img #23302]
 

Turborreactor: es el más simple de los aerorreactores, tiene las partes ya comentadas antes: compresor, cámara de combustión, turbina y tobera. La turbina se instala en la zona de expansión de los gases y su función es restar potencia a los gases de salida empleándola en mover gratis (sin consumo) el compresor y disminuir el consumo de combustible. En la imagen 2 se puede observar un turborreactor típico.

 

Turbohélice: se trata de un turborreactor al que se le ha incorporado una hélice. Normalmente en la turbina se tiene exceso de potencia que se invierte en mover además del compresor, la hélice (utilizando reductores de revoluciones, pues la hélice trabaja a menores velocidades que la turbina). La hélice es un sistema de rendimiento alto, en torno a 0,8, que genera tracción y aumenta el empuje. Hay que tener cuidado en el diseño de la hélice dado que si la longitud de la pala es grande (lo cual es necesario para obtener tracción) se producen velocidades supersónicas en la punta de la pala que producen mucha resistencia aerodinámica y además se comprime poco el aire y baja la tracción. El rango de velocidades en que se utilizan motores turbohélices es en el subsónico bajo (hasta M= 0.6) que serían 400-500 km/h dependiendo de la altura.

 

[Img #23303]
 

Turbofán: se trata de otra variante de turborreactor al que se le añade un fan (ventilador en inglés), cuya función es similar a la de la hélice en el TH, generar mayor empuje, pero la diferencia reside en que el fan va encapsulado dentro del motor y da lugar a dos flujos el primario y el secundario, cada uno con su propio ciclo y generando su propio empuje. El flujo primario evoluciona igual que en el turborreactor mientras que el flujo secundario pasa por la entrada, fan y tobera de salida. Hay dos tipos de turbofanes: los que tienen el fan en serie (antes del compresor) y los que tienen el fan en paralelo, después de la turbina. Los primeros son los más utilizados y en ellos el fan colabora en la compresión, mientras que en los de fan paralelo colabora en la expansión, en la extracción de energía. Este tipo de motor se utiliza en el rango de velocidades del subsónico alto en torno a M=0.8.

 

[Img #23304]
 

 

 

Postcombustión: la postcombustión consiste en quemar de nuevo los gases justo antes de la salida para generar mayor impulso. Se utiliza en aviones militares y se usa en momentos determinados en que las necesidades propulsivas son excepcionales. El precio que se paga por el encendido del postcombustor es un consumo de combustible muy alto.

 

[Img #23305]


Otra forma de aumentar el empuje es añadir vapor de agua en alguna parte del ciclo para aumentar el gasto.

 

 

Estatorreactor: se trata de otro motor de reacción que carece de compresores y turbinas. El aire es comprimido por la geometría del motor y pasa directamente a la cámara de combustión donde se quema, y de aquí ya a la tobera de salida, para ser expulsado a gran velocidad.

 

[Img #23306]
 

 

Pulsorreactor: motor que tampoco consta de turbina ni compresor; el aire entra y se le mezcla con el combustible a través de un conjunto de válvulas e inyectores, y acto seguido pasa a la cámara de combustión donde se quema y ya se eyectan los gases al exterior, como se observa en la figura. El combustor actúa de forma intermitente, se enciende y apaga continuamente, por eso se denomina pulsorreactor, porque combustiona de forma pulsada.


[Img #23307]


Los motores cohete, como se comentó anteriormente son motores autónomos que expulsan su propia masa para su propulsión.

 

Los motores cohete se diferencian en su sistema de combustión, los de propulsión química simplemente se mezcla dos reactivos y los productos de la mezcla dan lugar a gases que son eyectados a gran velocidad. Los de propulsión nuclear usan un reactivo nuclear para generar la potencia. Los de propulsión eléctrica consiguen la combustión haciendo pasar una corriente eléctrica en presencia del combustible. Los de propulsión iónica consisten en generar iones a través de reacción química y acelerarlos haciéndolos pasar por campos magnéticos, antes de la eyección. 

 

[Img #23308]

 

 

Imágenes: Archivo de Carlos Ganado Alcocer

 

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Lanzamiento de satélites y operaciones en la órbita

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