Propulsión a chorro

1

Introducción

Propulsión a chorro, procedimiento por el que se impulsa hacia delante un objeto como reacción a la expulsión hacia atrás de una corriente de líquido o gas a gran velocidad.

Un ejemplo sencillo de propulsión a chorro es el movimiento de un globo hinchado cuando se deja salir el aire repentinamente. Mientras se mantiene cerrada la abertura, la presión del aire en el interior del globo es igual en todas direcciones; cuando se suelta la boca, la presión interna que experimenta el globo es menor en el extremo abierto que en el extremo opuesto, lo que hace que el globo salga despedido hacia adelante.

Un motor a reacción no funciona de forma tan sencilla como un globo, aunque el principio básico es el mismo. Más importante que la diferencia de presiones resulta la aceleración a altas velocidades del chorro que sale del motor. Esto se consigue en el motor mediante fuerzas que permiten al gas fluir hacia atrás formando un chorro. La segunda ley de Newton (véase Mecánica) demuestra que estas fuerzas son proporcionales al incremento del momento lineal del gas por unidad de tiempo. En un motor a reacción, este incremento está relacionado con el flujo de masa multiplicado por la velocidad de salida del chorro. La tercera ley de Newton, que afirma que toda fuerza genera una reacción igual y opuesta, exige que la fuerza hacia atrás esté equilibrada por una reacción hacia adelante, conocida como empuje. Este empuje es similar al retroceso de un arma de fuego, que aumenta cuando se incrementa la masa del proyectil, su velocidad inicial, o ambas. Por ello, los motores de gran empuje requieren un elevado flujo de masa y unas altas velocidades de salida del chorro. Esto sólo puede conseguirse aumentando las presiones internas del motor e incrementando el volumen del gas por medio de la combustión.

Los dispositivos de propulsión a chorro se emplean sobre todo en aviones de alta velocidad y gran altitud, en misiles o en cohetes y naves espaciales (véase Avión; Misiles teledirigidos; Astronáutica). La fuente de potencia es un combustible de alta energía que se quema a grandes presiones para producir el elevado volumen de gas necesario para una alta velocidad de salida del chorro. El oxidante necesario para la combustión puede ser el oxígeno del aire, que se fuerza a entrar en el reactor y posteriormente se comprime; también puede transportarse el oxidante en el vehículo, de forma que el reactor no tenga que estar rodeado por una atmósfera. Entre los motores que dependen de la atmósfera para el suministro de oxígeno están los turborreactores, los turboventiladores, las turbohélices, los estatorreactores y los pulsorreactores. Los motores no atmosféricos suelen llamarse motores cohete.

2

Reactores

Todos los reactores atmosféricos dependen del flujo de una gran masa de aire que se comprime, se emplea para oxidar el combustible y finalmente se expande hasta bajas presiones a través de una tobera para lograr una elevada velocidad de salida del chorro.

2.1

Turborreactores

Los motores atmosféricos más empleados son los turborreactores. Después de que el aire pase al motor, su presión se aumenta mediante un compresor antes de entrar en la cámara de combustión (véase Compresor de aire). La potencia necesaria para mover el compresor proviene de una turbina situada entre la cámara de combustión y la tobera.

Casi todos los reactores de avión emplean un compresor de flujo axial, en el que el aire tiende a fluir en la dirección del eje pasando sucesivamente por una serie de grupos de aspas fijas y giratorias, llamadas estatores y rotores. Las aspas están situadas de forma que el aire entra en cada grupo a gran velocidad. Al fluir a través de las aspas, su velocidad disminuye, con lo que aumenta la presión. Los compresores modernos de flujo axial pueden aumentar la presión 24 veces en 15 etapas; cada conjunto de estatores y rotores forma una etapa.

A continuación, el aire comprimido entra en la cámara de combustión, donde se mezcla con combustible vaporizado y se quema. Para obtener el máximo rendimiento, la temperatura de combustión debería ser la máxima que se pudiera obtener de la combustión completa del oxígeno y el combustible. Sin embargo, esta temperatura calentaría la turbina en exceso; las temperaturas de entrada en la turbina, que actualmente limitan la potencia de los turborreactores, no pueden superar los 1.100 °C aproximadamente, debido a las limitaciones térmicas de los materiales. Para reducir la temperatura de entrada a la turbina sólo se quema parte del aire comprimido. Esto se consigue dividiendo el aire al entrar en la cámara de combustión: parte del aire se mezcla con el combustible y se inflama, y el resto se emplea para enfriar la turbina.

En la turbina, que actúa de forma inversa al compresor, los gases se expanden parcialmente al pasar de forma alternativa por estatores y rotores. Al entrar en cada grupo de aspas, la velocidad es baja; el gas se expande y acelera a la vez que hace girar el rotor. La turbina mueve el compresor, al que está unido por un eje que pasa por el centro del motor, y también proporciona la potencia necesaria para la bomba de combustible, el generador eléctrico y otros accesorios.

Los gases, que en ese momento están a una presión intermedia, se expanden por último en una tobera dirigida hacia atrás para alcanzar la elevada velocidad de salida. Para obtener el máximo empuje, la tobera debería expandir los gases hasta la presión de la atmósfera circundante. En la práctica, sin embargo, una tobera así sería demasiado grande y pesada. Las toberas reales son más cortas, lo que hace que la presión de salida sea más alta y el empuje del motor sea algo menor.

Un turborreactor no puede arrancar directamente estando parado o detenido; primero hay que hacer que el eje empiece a girar mediante un motor de arranque externo. En ese momento, el combustible se inflama mediante una bujía calentada. Una vez en marcha el motor, la combustión se mantiene sin necesidad de bujía.

El empuje de un turborreactor disminuye cuando aumenta la temperatura del aire circundante, porque la menor densidad del aire caliente reduce la masa que fluye a través del reactor. En días cálidos, el empuje para el despegue puede aumentarse inyectando agua en la entrada del compresor para enfriar el aire mediante la evaporación del agua.

En los motores militares, un llamado postquemador instalado entre la turbina y la tobera puede proporcionar impulsos de aceleración o empuje adicional para el despegue y el ascenso. En el postquemador se añade más combustible al chorro de gases de escape para quemar el oxígeno que no se ha empleado en la cámara de combustión; este proceso aumenta tanto el volumen del aire como la velocidad del chorro. Sin embargo, la baja eficiencia del postquemador restringe su uso a situaciones que exijan una gran aceleración momentánea.

2.2

Turboventiladores o reactores de doble flujo

El turboventilador es una mejora del turborreactor básico. Parte del aire entrante se comprime sólo parcialmente y se desvía para que fluya por una carcasa exterior hasta el final de la turbina. Allí se mezcla con los gases calientes que salen de la turbina, antes de llegar a la tobera. Un reactor de doble flujo tiene mayor empuje para el despegue y el ascenso y es más eficiente; el aire que fluye por el exterior refrigera el motor y reduce el nivel de ruido.

En algunos motores, el aire que fluye por el exterior no se vuelve a mezclar en el reactor sino que escapa directamente. En este tipo de motor de doble flujo, sólo una sexta parte del aire entrante atraviesa todo el reactor; los otros cinco sextos se comprimen en la primera etapa del compresor o ventilador y después salen al exterior. En las partes de alta y baja presión del motor se necesitan velocidades de rotación distintas. Esta diferencia se logra instalando dos combinaciones de turbina y compresor en dos ejes concéntricos llamados rodetes gemelos. Dos etapas de turbina de alta presión mueven las once etapas de compresor de alta presión montadas en el eje exterior, y cuatro etapas de turbina mueven el ventilador y cuatro etapas de compresor de baja presión en el eje interno. Un ejemplo de motor de este tipo es el reactor JT9D-3, que pesa unos 3.850 kg y puede alcanzar un empuje en el despegue de unos 20.000 kg. Esto es el doble del máximo empuje disponible en los aviones comerciales más grandes antes de la llegada del Boeing 747.

Las investigaciones actuales en turborreactores y turboventiladores se centran sobre todo en lograr un funcionamiento más eficiente de los compresores y turbinas, en diseñar sistemas especiales de refrigeración de las aspas de la turbina para permitir mayores temperaturas de entrada a la turbina y en reducir el sonido del reactor.