El motor de detonación rotatoria, una revolución en la propulsión química para naves espaciales

Se necesita mucho combustible para lanzar algo al espacio. Pero un nuevo tipo de motor, llamado motor de detonación rotatoria, promete hacer cohetes no solo más eficientes en su consumo de combustible sino también más livianos y menos complicados de construir.

El equipo de James Koch, J. Nathan Kutz, Carl Knowlen y Mitsuru Kurosaka, de la Universidad de Washington en la ciudad estadounidense de Seattle, ha desarrollado un modelo matemático que describe cómo funcionan estos motores. Con esta información, los ingenieros pueden, por primera vez, idear pruebas para mejorar estos motores y hacerlos más estables. Hasta ahora, los motores de este tipo eran demasiado impredecibles para ser utilizados en un cohete real.

Los motores de detonación rotatoria constituyen un campo científico que todavía está en su infancia, pero los resultados del nuevo estudio marcan el camino a seguir para lograr que la tecnología madure lo suficiente.

Un motor de cohete convencional funciona quemando propergoles y luego empujándolos fuera de la parte posterior del motor para crear empuje.

Los investigadores primero desarrollaron un motor experimental de detonación rotatoria (que se muestra aquí) donde podían controlar diferentes parámetros. Las líneas de alimentación (derecha) dirigen el flujo de propergoles hacia el motor. En el interior, hay otro cilindro concéntrico. Los sensores que sobresalen de la parte superior del motor (izquierda) miden la presión a lo largo del cilindro. (Foto: James Koch / University of Washington)

Pulsos propulsivos en el motor de detonación rotatoria

Un motor de detonación rotatoria adopta una estrategia diferente al quemar propergoles. Está hecho de cilindros concéntricos. Los propergoles fluyen en el espacio entre los cilindros y, después del encendido, la rápida liberación de calor forma una onda de choque, un fuerte pulso de gas con una presión y temperatura significativamente más altas que se mueve más rápido que la velocidad del sonido. Este proceso de combustión es literalmente una detonación, una explosión, pero tras esta fase inicial de arranque hay una serie de pulsos de combustión estables que continúan consumiendo los propergoles. Esto produce una presión y una temperatura muy altas, estableciendo así las condiciones que posibilitan la expulsión de gas por la parte trasera del motor a altas velocidades, con el resultado de la generación de empuje.

Los motores convencionales de cohete utilizan una gran cantidad de piezas para dirigir y controlar la reacción de combustión de modo que genere el trabajo necesario para impulsar el motor. Pero en un motor de detonación rotatoria, la onda de choque hace todo de manera natural, sin necesidad de ayuda adicional de las piezas del motor.

Las sacudidas desencadenadas ​​por la combustión comprimen de manera natural el flujo a medida que viajan alrededor de la cámara de combustión. El problema radica en la dificultad de predecir la conducta exacta de estas detonaciones de las que depende el funcionamiento del motor.

A fin de poder describir cómo funcionan estos motores, los investigadores primero desarrollaron un motor experimental de detonación rotatoria donde podían controlar diferentes parámetros, como por ejemplo el tamaño del espacio entre los cilindros. Luego grabaron los procesos de combustión con una cámara de alta velocidad. Cada experimento tardó solo 0,5 segundos en completarse, pero los investigadores registraron estos experimentos a 240.000 fotogramas por segundo para poder ver lo que sucedía en cámara lenta.

A partir de ahí, los investigadores desarrollaron un modelo matemático para imitar lo que vieron en los videos. (Fuente: NCYT Amazings)