Cómo Funcionan Los Ramjets

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Los ramjets permiten a las aeronaves volar por el aire a velocidades increíbles. Aprenda más sobre ramjets en WordsSideKick.com.

Como cualquier persona que alguna vez haya caído del vientre en una inmersión alta puede decírtelo, cuando golpeas un fluido sin darle tiempo a salir, tiende a contraatacar. Los buceadores vencen a la física dando un paso más aerodinámico, y los coches y aviones más rápidos lo hacen luciendo formas más aerodinámicas. Pero llega un punto, cerca de la barrera del sonido, donde la racionalización no es suficiente: una velocidad a la que el mismo aire que mantiene su avión en alto comienza a golpearlo con una resistencia aparentemente insuperable, una turbulencia que golpea los dientes y brutales ondas de choque. De hecho, muchos creyeron que esta barrera de sonido era irrompible hasta que, el 14 de octubre de 1947, el Bell X-1 propulsado por cohetes de Chuck Yeager demostró que estaban equivocados.

Pero, ¿y si pudieras convertir todo ese aire acumulado a tu favor? ¿Qué pasaría si, en lugar de agitarlo con hélices o quemarlo con cohetes, podría empacarlo en un tubo de forma especial, bombearlo con una explosión y dispararlo por una boquilla a velocidades supersónicas, todo ello sin partes móviles importantes? Tendrías un tipo muy especial de motor a reacción, una "pipa voladora" apta para atravesar el cielo a miles de millas por hora. Tendrías un chorro de agua.

Pero la aparente simplicidad del ramjet es engañosa; se necesita una ingeniería aeronáutica de vanguardia, materiales modernos y manufactura de precisión para lograr una, lo que explica en parte por qué una idea casi tan antigua como un vuelo motorizado fue repetidamente retenida y rechazada durante décadas antes de lograr un éxito limitado durante la Guerra Fría.

A diferencia de su competencia de velocidad principal, el cohete, que quema combustible utilizando oxidantes a bordo como el nitrato de amonio, el clorato de potasio o el clorato de amonio, inyecta aire. Por lo tanto, mientras que los cohetes pueden operar en el casi vacío del espacio, los ramjets deben volar a través de la atmósfera. También deben hacerlo a velocidades muy altas, alrededor de Mach 2.5-3.0, o tres veces la velocidad del sonido, porque los ramjets funcionan mediante el aprovechamiento presión del ariete, La compresión de aire natural provocada por la alta velocidad de un avión. En otras palabras, los ramjets hacen aliados de las mismas ondas de choque y fuerzas de compresión que alguna vez se opusieron al vuelo de alta velocidad; literalmente van con el flujo [fuentes: Enciclopedia Británica; NASA].

Los ramjets son más eficientes en largas distancias que los cohetes, pero sufren una desventaja importante: son inútiles a bajas velocidades. En consecuencia, confían en cohetes u otros vehículos para acelerarlos. Las aeronaves autónomas ramjet suelen utilizar motores híbridos [fuente: NASA].

Si esa explicación pasó a tu lado a una velocidad supersónica, probablemente sea porque nos saltamos muchas cosas interesantes e interesantes. Veamos cómo se han desarrollado los motores a reacción para producir esta maravilla moderna.

Detonaciones y llegadas

Un camarógrafo con una cámara de alta velocidad filma la llama del aumentador de empuje de un motor I-40 en el Laboratorio de Propulsión de Vuelo Lewis en Cleveland. (El laboratorio más tarde se conoció como el Centro de Investigación John Glenn).

Un camarógrafo con una cámara de alta velocidad filma la llama del aumentador de empuje de un motor I-40 en el Laboratorio de Propulsión de Vuelo Lewis en Cleveland. (El laboratorio más tarde se conoció como el Centro de Investigación John Glenn).

Los jets corren en explosiones controladas. Eso suena extraño hasta que te das cuenta de que la mayoría de los motores de los automóviles también lo hacen: jalar aire, comprimirlo, mezclarlo con combustible, encenderlo y explotar. Has empujado un pistón. Pero mientras que los motores de gasolina y diesel implican cíclicos o combustión intermitente, chorros implican combustión continua, en el que el combustible y el aire se mezclan y queman sin parar. De cualquier manera, quemar más goma significa consumir más gas, y eso significa aspirar más oxígeno para obtener la mezcla correcta. Los coches con sopa hacen esto con los supercargadores; en los motores a reacción, es más complicado [fuente: Enciclopedia Británica].

El primer avión a reacción operacional se enfocó en el combate cerca del final de la Segunda Guerra Mundial usando turborreactor motores, un diseño sencillo pero ingenioso basado en el Brayton (o Joule) Ciclo: A medida que el avión vuela, el aire fluye a través de una entrada a un difusor, una cámara que retarda el flujo de aire e inhibe las ondas de choque. Luego pasa a través de una serie de discos aplanados: rotores, que fuerza el aire hacia atrás, y estacionario estatores, que guían el flujo de aire. Juntos, actúan como un compresor que aumenta la presión dentro de las cámaras de combustión del chorro. Allí, el combustible se mezcla con aire presurizado y se inflama, las temperaturas de voladura en el rango de 1800-2800 F (980-1540 C) o superior [fuentes: Enciclopedia Británica; Krueger; Spakovszky].

La presión aumenta con la temperatura, por lo que esta explosión crea mucha fuerza sin nada que hacer más que buscar una salida rápida. Cuando el escape se dispara a través de la boquilla trasera, genera empuje para mover la aeronave. En ruta hacia esta boquilla, el escape también se dispara a través de una turbina conectada a los rotores por un eje de torsión. A medida que la turbina gira, transfiere energía a las palas del compresor en el frente, completando el ciclo.

En aviones con turboprops o helicópteros con turboeje Los motores y las turbinas también transfieren potencia a un rotor de hélice o helicóptero a través de una serie de engranajes.

Los Turbojets tienen mucha potencia pero luchan a bajas velocidades. En consecuencia, en los años sesenta y setenta, las aeronaves de bajo nivel supersónico comenzaron a avanzar hacia la turbofans que la mayoría de los jets privados y aviones comerciales todavía utilizan. Un turbofan es el turducken de los motores, esencialmente un turborreactor envuelto en un carenado más grande con un gran abanico abofeteado en la parte delantera. El ventilador extrae más aire, que luego el motor se divide en dos corrientes: un poco de aire se mueve a través del turborreactor anidado, mientras que el resto fluye a través del espacio vacío que lo rodea.Las dos corrientes se reúnen cuando el aire más frío redireccionado se mezcla con el escape del turborreactor y lo frena, creando una corriente de empuje más grande y más lenta que es más eficiente a bajas velocidades [fuentes: Encyclopaedia Britannica; Krueger].

Mientras tanto, alrededor de la época en que los turbofans entraron en su cuenta, la investigación de los aviones con chorro de arena finalmente llegó a su fin. Había sido un largo camino.

Posquemadores

Algunos turbojets y turbofans se juntan con posquemadores, que consume más energía inyectando combustible en el escape después de que pasa por la turbina y lo vuelve a encender. Este proceso, también conocido como recalentar, es ineficiente pero puede aumentar el empuje del turbofan en hasta un 50 por ciento [fuentes: Encyclopaedia Britannica; Pratt & Whitney]. Los dispositivos de poscombustión son útiles durante el despegue o en condiciones desfavorables, de baja velocidad o de baja presión. Se encuentran principalmente en aviones de combate supersónicos, aunque el Concorde SST también los utilizó en el despegue [fuentes: Encyclopaedia Britannica; NASA; Pratt & Whitney].

Ramjets, antes de su tiempo?

Quien haya dicho que tienes que caminar antes de poder correr, nunca conoció al francés René Lorin. Vio las posibilidades de la propulsión a presión de ariete desde 1913, cuando los pilotos todavía volaban cometas de madera glorificadas. Consciente de la inutilidad del diseño a velocidades subsónicas, en lugar de eso diseñó una bomba voladora asistida por chorro. El ejército francés lo despidió. El ingeniero húngaro Albert Fono, otro pionero del lanzamiento, persiguió una idea similar en 1915 y recibió una recepción comparable del Ejército Austro-Húngaro [fuentes: Gyorgy; Heiser y Pratt; Wolko].

Los diseños de Ramjets disfrutaron de una corta moda entre guerras mundiales. Los ingenieros soviéticos hicieron avances tempranos en ramjets basados ​​en cohetes (ver la siguiente sección), pero el interés se consumió antes de 1940. La ocupación alemana interrumpió el trabajo inicial del ingeniero francés René Leduc, pero su persistencia y su secreto dieron sus frutos el 21 de abril de 1949, cuando su Lorin El modelo 010 de inspiración hizo su primer vuelo motorizado de un avión ramjet. Llevado en lo alto de un avión de pasajeros Languedoc 161, voló durante 12 minutos y alcanzó 450 mph (724 kph) a media potencia [fuentes: Siddiqi; Sala; Wolko; Yust et al.].

Y, por un tiempo, eso fue todo. A pesar del éxito de Leduc, la falta de fondos terminó con el apoyo oficial para su investigación en 1957 [fuentes: Siddiqi; Sala; Wolko; Yust et al.]. El ramjet empezaba a parecerse a un invento sin ninguna aplicación. Mientras tanto, la Segunda Guerra Mundial marcó el comienzo de la primera generación de turbojets operacionales: el británico Gloster Meteor, el alemán Messerschmitt Me 262 y el estadounidense Lockheed F-80 Shooting Star [fuentes: Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica; Museo Nacional de la USAF; van pelt].

Cuando la guerra terminó y la Guerra Fría se calentó, se hizo evidente que los turbojets y los turbofans presentaban soluciones subsónicas y supersónicas más prácticas que los ramjets. A partir de entonces, la mayoría de los Estados Unidos y la Unión Soviética trabajan en ramjets centrados en la construcción de misiles intercontinentales. En 1950, el ingeniero estadounidense William H. Avery y el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins produjeron Talos, el primer misil de la Armada de Estados Unidos. Las generaciones futuras refinarían y optimizarían el diseño, introduciendo híbridos. cohetes capaz de alcanzar altas velocidades supersónicas (Mach 3-5) (ver la siguiente sección) [fuentes: Hoffman; Kossiakoff; Sala].

A pesar de diseños intrigantes como el helicóptero Hiller XHOE-1 Hornet, el propuesto interceptor del bombardero Republic XF-103 y el avión no tripulado de reconocimiento no tripulado Lockheed D-21B, el avión aeronáutico languideció hasta el debut en 1964 del Lockheed SR-71 Blackbird. El avión tripulado más rápido hasta su retiro en 1989, el Mach 3+ Blackbird también usó un motor híbrido, a veces llamado un Turboramjet [fuentes: Museo Nacional de la USAF; Smithsonian; Sala].

Nos sumergiremos en el SR-71 y otros híbridos y subtipos ramjet en la siguiente sección.

Rudi Ramjet?

Para el final de la Segunda Guerra Mundial, Alemania había comenzado la investigación de numerosas embarcaciones, incluyendo un ramjet asistido por cohete, el Fw 252 "Super Lorin", y el bombardero antipodal Sänger-Bredt con propulsor de cohete. Lo más famoso es que construyeron con éxito la V-1 Buzz Bomb, una bomba guiada impulsada por chorro de impulsos impulsada por catapulta a vapor. Un chorro de pulso no es un ramjet, pero comparten cualidades en común, incluida la simplicidad y un mínimo de partes móviles [fuentes: Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica; Museo Nacional de la USAF; van pelt].

Ramjets: Haciendo Mock de Mach

El avión de reconocimiento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para el vuelo. El Blackbird estacionado en el Centro Steven F. Udvar-Hazy una vez voló desde Los Ángeles a Washington, DC, en una hora, cuatro minutos y 20 segundos.

El avión de reconocimiento Lockheed SR-71A Blackbird se prepara para el vuelo. El Blackbird estacionado en el Centro Steven F. Udvar-Hazy una vez voló desde Los Ángeles a Washington, DC, en una hora, cuatro minutos y 20 segundos.

Si los ramjets son tan complicados, entonces ¿para qué molestarse? Bueno, a las presiones y temperaturas generadas en Mach 2.5+, la mayoría de los motores a reacción se vuelven sumamente imprácticos, y no tienen ningún sentido. Incluso si pudieras hacer un trabajo, hacerlo combinaría los peligros de correr un molino de viento en un huracán con la inutilidad de transportar una máquina de olas a la costa norte de Oahu.

Los ramjets toman los principios básicos de otros jets y los ponen en marcha hasta 11, todos sin partes móviles importantes. El aire ingresa al difusor de un ramjet a velocidades supersónicas, atacándolo con ondas de choque que ayudan a aumentar la presión del ariete. Un cuerpo central en forma de diamante en la entrada comprime aún más el aire y lo reduce a velocidades subsónicas para mezclarse más eficientemente con el combustible y la combustión. La combustión se produce en una cámara abierta similar a un dispositivo de poscombustión gigante, donde se inyecta combustible líquido o se bombea combustible sólido por los lados de la cámara [fuentes: Ashgriz; Enciclopedia Británica; SPG; Sala].

Las limitaciones de velocidad de Ramjets inspiraron gradualmente los motores híbridos que podían volar a velocidades más bajas y acelerar a velocidades supersónicas. El ejemplo más famoso, el SR-71 Blackbird, usó un híbrido turborreactor-ramjet llamado, apropiadamente, un Turboramjet. Dichos motores funcionan como un turborreactor de postcombustión hasta mucho más allá de Mach 1, después de lo cual los conductos eluden el turborreactor y redireccionan el flujo de aire comprimido en el pistón, haciendo que el motor se comporte como un ramjet [fuente: Ward].

Mientras tanto, los diseños de misiles eliminaron gradualmente los impulsores moviéndolos dentro del ramjet, creando cohetesalias cohetes de cohete integral. Durante la aceleración del cohete, los tapones sellan temporalmente los inyectores de admisión y de combustible del ramjet. Una vez que se gastan los cohetes y el ramjet alcanza la velocidad, estos se desprenden y los cohetes vacíos actúan como cámaras de combustión [fuente: Ward].

Mirando hacia adelante, cruzar la línea Mach 5 a velocidades hipersónicas probablemente conllevará scramjets (ramjets supersónicos de combustión). A diferencia de otros ramjets, los scramjets no necesitan reducir la velocidad del aire a velocidades subsónicas en sus cámaras de combustión. Para arrancar el encendido y la expansión en los 0,001 segundos antes de que el aire presurizado salga por el escape, los scramjets suelen utilizar combustible de hidrógeno, que tiene un alto impulso específico (cambio en el momento por unidad de masa de propelente), se inflama en una amplia gama de relaciones de combustible / aire y libera una gran ráfaga de energía cuando se quema [fuentes: Bauer; Enciclopedia Británica; NASA].

Scramjets siguió siendo teórico antes de las últimas décadas, y el trabajo sigue siendo en su mayoría experimental. En noviembre de 2004, el programa Hyper-X de ocho años y $ 230 millones de la NASA produjo un scramjet que alcanzó Mach 9.6 en su vuelo final. Algunos analistas creen que la tecnología podría llegar a Mach 15-24, pero viajar en avión a velocidades hipersónicas significa superar fuerzas a diferencia de las que se enfrentan incluso con la nave supersónica más rápida. En resumen, tenemos un largo camino por recorrer antes de que podamos viajar desde Nueva York a Los Ángeles en 12 minutos [fuentes: Bauer; DARPA; Fletcher NASA].

El ramjet interestelar

Un obstáculo importante para los viajes espaciales propulsados ​​por cohetes es la relación exponencial entre la aceleración y el combustible. Cuanto más rápido vayas, más combustible necesitarás; Cuanto más combustible lleve, más masa agregue, más combustible adicional necesitará para superarlo [fuentes: Largo; NASA].

Con esto en mente, los físicos han propuesto otras soluciones, que incluyen todo, desde velas solares hasta explosiones de bombas nucleares expulsadas. En 1960, el físico Robert Bussard propuso un ramjet interestelar que recogería partículas cargadas en el espacio a través de un campo electromagnético, las convergería, crearía una reacción de fusión y usaría la energía para propulsión [fuentes: largo; NASA].

Nota del autor: cómo funcionan los ramjets

A menudo me encantan las historias de grandes innovaciones que no lograron encontrar una aplicación cuando se inventaron por primera vez. Mientras escribía este artículo, por ejemplo, me recordaron repetidamente el láser, que una vez se llamó una solución en busca de un problema.

Oh, qué diferencia hacen unas décadas.

Por otro lado, a veces extrañas invenciones hacen millones. Otras veces inventamos cosas para un propósito que resultan tener aplicaciones imprevistas. Entre sus muchas contribuciones, el programa espacial estadounidense inventó el traje de baño acanalado y cambió los pañales para siempre. Hoy en día, los científicos de materiales están descubriendo propiedades para las que aún no hemos encontrado usos. Con suerte, les irá mejor que a Lorin.


Suplemento De Vídeo: Sistema de Propulsão Ramjet - Grupo 6.




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