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¿Y dónde está el piloto?

Motor aeronáutico: Cómo funcionan los motores a reacción

Explicado: Cómo funcionan los motores a reacción

INTRODUCCIÓN

Los motores a reacción revolucionaron los viajes aéreos. Permitieron a los diseñadores fabricar aviones que podían volar más rápido que los aviones propulsados por hélice y con motor de gasolina de la época. Los motores a reacción se fabricaron por primera vez en la década de 1930, pero no entraron en servicio ni se produjeron a gran escala hasta la década de 1940. Básicamente son motores que respiran aire y dependen de la entrada de aire para propulsar el avión. Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania fue el único país que poseía aviones a reacción. Pero poco después de que terminó la guerra, otras naciones europeas, estadounidenses y rusos se apoderaron de esta tecnología y adoptaron a gran escala la propulsión a chorro para sus aviones. Su uso se extendió rápidamente y se realizaron muchas mejoras en la propulsión a chorro, lo que la hizo económica y asequible para su uso en aviones civiles a gran escala. Actualmente, casi todos los aviones del mundo están propulsados ​​por un motor turborreactor, turbofan o turbohélice. Estos motores han hecho que los viajes aéreos sean más rápidos y económicos que nunca. Hay varios otros tipos de motores a reacción como ramjet, scramjet, etc. En este artículo, daré una explicación breve pero exhaustiva sobre cómo funcionan estos motores a reacción desde un punto de vista de ingeniería.

PRINCIPIO BÁSICO

Todos los motores a reacción funcionan según el mismo principio: producir empuje para impulsar el avión hacia adelante. Todos los motores a reacción tienen una entrada de aire por donde entra el aire. Este aire se quema en la cámara de combustión con combustible y los gases de escape calientes salen por una tobera, formando un propulsor en chorro. El funcionamiento real de estos motores implica componentes y etapas adicionales que se explicarán a continuación.

MOTOR TURBOJET
Las etapas de un motor turborreactor. Imagen de Wikimedia.

Este es uno de los tipos de motores a reacción más antiguos que existen y equipó a los primeros aviones de combate. Es muy eficiente a velocidades de vuelo superiores a 800 km/h. Su funcionamiento depende de las siguientes etapas.

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Difusor: Esta es la primera etapa del motor. Aquí el aire atmosférico entra con una velocidad igual a la velocidad del avión y es frenado en el difusor.

Compresor: El aire que sale del difusor tiene una velocidad insignificante y entra al compresor. En este caso, el aire se comprime a alta presión con la ayuda de un compresor axial.

Cámara de combustión: Después de la compresión, el aire ingresa a la cámara de combustión donde se rocía combustible y se produce la combustión.

Turbina: Los productos de la cámara de combustión se encuentran a alta presión y temperatura. Impulsan las palas de la turbina, que a su vez impulsan el compresor y, por lo tanto, le permiten aspirar más aire. La turbina también está acoplada a una unidad generadora en aviones para producir electricidad.

Boquilla de salida: Los gases que salen de la turbina se expanden y salen de la boquilla a gran velocidad. Esto produce el empuje necesario e impulsa el avión según la tercera ley de Newton.

Postquemador (opcional): este componente está presente sólo en aviones militares. Básicamente inyecta combustible en los gases de escape que salen de la turbina y la combustión resultante produce un empuje adicional al aumentar la velocidad y la temperatura del escape. Este empuje extra es muy útil mientras el avión despega o vuela a velocidades supersónicas. El postquemador se utiliza sólo durante períodos cortos (2-3 minutos), ya que consume una gran cantidad de combustible y el aumento de la temperatura del escape podría dañar la boquilla si se utiliza durante períodos más prolongados.

USOS: Los turborreactores se utilizaron ampliamente en aviones militares y civiles desde finales de los años 1940 hasta los años 1970. Luego fueron reemplazados gradualmente por turbofan que ahorraban más combustible. Los turborreactores se siguen utilizando hasta el día de hoy, pero son muy raros.

 
El bombardero B-52 tenía 8 motores turborreactores que ahora han sido sustituidos por turbofanes.


Un F-14 Tomcat con los motores en postcombustión al máximo durante el despegue

MOTOR TURBOFÁN


Las etapas de un motor turbofan. Imagen de Wikimedia.

Un turboventilador es casi idéntico a un turborreactor y consta únicamente de una etapa adicional: un ventilador.

• Este ventilador está presente delante del difusor y conectado al mismo eje que acciona el compresor y la turbina en un turborreactor.
• El ventilador aspira aire a un ritmo más rápido hacia la etapa del turborreactor y también proporciona un empuje de derivación adicional, ya que parte del aire aspirado por el ventilador sale de los motores desde fuera de la etapa del turborreactor y complementa el empuje del jet que sale de las boquillas del turborreactor. turborreactor.
• Dado que un turbofan es básicamente un turborreactor con un ventilador para producir empuje de derivación, también se le llama turborreactor de derivación.
• Estos motores son muy eficientes a velocidades medias y altas. De ahí que hayan sustituido casi por completo a los turborreactores en aplicaciones civiles y militares. Los turbofan también han reemplazado a los turbohélices en algunos aviones militares.

USOS:  Casi todos los aviones de combate modernos utilizan turbofanes de alta potencia con postquemadores. Los misiles de crucero y los vehículos aéreos no tripulados también utilizan turbofan. La mayoría de los aviones comerciales han pasado a utilizar aviones propulsados ​​por turbofan.

GE-90-115B El motor turbofan más grande del mundo

MOTOR TURBOHÉLICE


Las etapas de un motor turbohélice. Imagen de Wikimedia.

La razón principal para el desarrollo del motor turbohélice fue la ineficiencia de los turborreactores a velocidades de vuelo inferiores a 800 km/h. Un motor turbohélice es muy eficiente incluso a bajas velocidades de vuelo.

• Básicamente consta de una hélice con engranajes conectada a un motor turborreactor. Por tanto, el principio de funcionamiento sigue siendo casi similar. Las etapas adicionales se explicarán aquí.
• La turbina de un motor turbohélice es más grande que la de un turborreactor. Esto se debe a que la turbina de un turbohélice tiene que impulsar la hélice además del compresor y los sistemas auxiliares como generadores, mientras que la turbina de un turborreactor tiene que impulsar sólo el compresor y los sistemas auxiliares.
• La hélice consume entre el 80 y el 90% de la potencia neta de la turbina y el resto se deja para producir el empuje del jet. La hélice produce empuje cambiando el impulso del aire a su alrededor.
• La rotación de la hélice provoca una reducción de la presión delante de ella (aguas arriba). El aire en esta zona acelera hacia la hélice, pasa sobre ella y aumenta la presión.
• Así, el aire detrás de la hélice (aguas abajo) tiene una velocidad mayor y constituye el empuje. Este empuje se combina con la pequeña cantidad de empuje del jet que sale de la boquilla e impulsa el avión hacia adelante.

El empuje producido por un turbohélice a velocidades de vuelo más bajas es considerablemente mayor que el de los turborreactores. Por lo tanto, encuentran una amplia aplicación en aviones de tamaño pequeño y mediano, como transportes civiles y militares, que normalmente vuelan a velocidades de 400 a 600 km/h.


El Airbus A400M es uno de los aviones más grandes propulsados ​​por turbohélices.

USOS: El avión propulsado por turbohélice más famoso es el transportador C-130. El avión propulsado por turbohélice más rápido es el ruso Tu-95, que está propulsado por 4 turbohélices contrarrotativos que giran a velocidades supersónicas que permiten al avión volar cerca de 1000 km/h, lo que es casi inaudito para un avión propulsado por turbohélice.

Hoy en día, muchos transportes militares utilizan turbohélices debido al gran empuje que se produce a bajas velocidades. Los pequeños aviones civiles que son conscientes de la economía también utilizan aviones propulsados ​​por turbohélice. Curiosamente, los turbohélices también encuentran aplicación en aerodeslizadores.

  El Tu-95 es el avión propulsado por turbohélice más rápido. Cada motor tiene 2 juegos de hélices contrarrotativas.

 MOTOR TURBO-EJE

Las etapas de un motor turboeje. Imagen de Wikimedia.

Este motor se utiliza para propulsar todos los helicópteros del mundo. El principio de funcionamiento es el mismo que el de un motor turborreactor, pero los gases de escape no se utilizan para impulsar el helicóptero hacia adelante.

• El aire comprimido se quema en la cámara de combustión y se utiliza para impulsar una turbina. Los gases de escape salen por los lados y se difunden hacia la atmósfera y proporcionan un empuje insignificante.
• La turbina hace girar como de costumbre el eje central, que a su vez hace girar el compresor. Pero el eje también se extiende en la dirección opuesta y se llama eje de potencia.
• La rotación de las palas de la turbina también hace girar este eje. El eje de potencia está conectado al eje de las palas del rotor del helicóptero a través de una caja de cambios.
• Así giran los rotores de un helicóptero.

Los motores turboeje en un Chinook CH-47

MOTOR RAMJET

Las etapas de un motor ramjet. Imagen de Wikimedia.

Un motor ramjet se utiliza cuando es necesario alcanzar velocidades supersónicas en el rango de 2 a 4 veces la velocidad del sonido. Este es el motor de respiración de aire más simple que existe, ya que no tiene partes móviles como compresores o turbinas.

• Consiste en un difusor que comprime el aire según el principio de "compresión de ariete". La compresión Ram es un tipo de compresión en la que la energía cinética del aire de entrada se convierte en energía de presión con la ayuda de un difusor, comprimiéndolo así.
• El aire que entra a velocidades supersónicas se reduce a velocidades subsónicas antes de entrar en la cámara de combustión. Aquí, el combustible se pulveriza y quema de forma similar a los turborreactores.
• Pero el escape caliente no tiene turbina para hacer funcionar y todo el escape sale de la boquilla como empuje de chorro.
• Lo interesante es que este motor no se puede arrancar desde velocidad cero y necesita moverse a alta velocidad para comenzar a funcionar, por lo que a menudo se le conecta un turborreactor o un cohete propulsor para impulsarlo a las velocidades requeridas.
• Un propulsor de cohete de combustible sólido es el accesorio más común para los misiles propulsados ​​por estatorreactores. Un turborreactor acoplado a un estatorreactor se llama turborreactor y se utiliza en aviones militares.
  
  
  

Misil BrahMos. Tenga en cuenta los difusores cónicos en la nariz para comprimir el aire de entrada. 

USOS: Este motor está restringido sólo para aplicaciones militares y se utiliza casi exclusivamente en misiles. Los misiles modernos más populares que utilizan un motor ramjet son el BrahMos y el Meteor.

MOTOR SCRAMJET

Las etapas de un motor scramjet. Imagen de Wikimedia.

Un scramjet es un motor Ramjet de combustión supersónica, llamado así porque es básicamente un motor ramjet donde la combustión del aire ocurre a velocidades supersónicas en lugar de subsónicas. Su funcionamiento es similar al de un motor estatorreactor. Un misil o avión propulsado por scramjet debe acelerarse a 4 veces la velocidad del sonido mediante una fuente externa, como un motor de cohete, antes de que el scramjet pueda comenzar a funcionar. 

• Cuando un avión está cerca del suelo y la presión atmosférica es muy alta, los gases de escape que salen de la boquilla del motor están a una presión más baja que el aire circundante.
• El aire a alta presión presiona el gas por todos lados y lo comprime.
• Los diamantes son una serie de ondas de choque, expansiones y compresiones de los gases de escape que continúan hasta que la presión del escape se vuelve igual a la presión de la atmósfera circundante.
• Cuando se comprimen los gases de escape, los diamantes brillantes que se forman en las ondas de choque son el resultado del exceso de combustible que se enciende en el postquemador.
• El combustible queda atrapado en las ondas de choque de compresión y expansión y, por lo tanto, cuando se enciende, aparece como una serie de bolas brillantes.

Vectorización de empuje

La vectorización de empuje es un método para manipular el empuje del motor de una aeronave para lograr un control direccional o de altitud adicional.

Básicamente dirige el empuje en la dirección requerida para que el avión pueda moverse en la dirección opuesta. Un sistema de este tipo puede permitir que la aeronave gire en un radio muy corto e impartir una excelente maniobrabilidad. La razón por la que la familia de aviones Su-30 es muy popular en las exhibiciones aéreas es por sus boquillas de vectorización de empuje que les permiten realizar maniobras muy complicadas.

  El Harrier fue el primer caza operativo del mundo con vectorización de empuje.

La boquilla de vectorización de empuje en un Su-35S


El Su-35 muestra sus habilidades en TVC

CONCLUSIÓN

El funcionamiento de los motores a reacción parece bastante simple y existen desde hace 70 años, pero sólo un puñado de naciones tienen la capacidad de diseñar motores a reacción y producirlos con éxito. Los países que pueden fabricar aviones de combate de alta calidad también necesitan importar motores de países como Estados Unidos y Rusia. ¿Por que es esto entonces?

Esto se debe a que los motores a reacción son fáciles de entender, pero increíblemente complejos de diseñar y construir. Es el corazón de todo objeto volador creado por el hombre. Un avión puede volar sin sistemas de navegación ni radares, pero ni siquiera será un avión sin motor. Las palas de la turbina de un motor a reacción funcionan a temperaturas superiores a 1.000 °C durante cientos de horas a lo largo de su vida útil. Tiene que estar fabricado con la composición perfecta de metales para que no se induzca fatiga o fluencia con la temperatura y las tensiones físicas asociadas. Un solo fallo provocará que el avión se estrelle.

Actualmente, los motores a reacción americanos y europeos tienen el índice de fiabilidad más alto, seguidos de los motores rusos. China ha desarrollado sus propios motores, pero duda en utilizarlos a gran escala y sigue importando de Rusia porque no confían en su fiabilidad y rendimiento. India intentó desarrollar un motor a reacción, pero pronto abandonó el proyecto porque no cumplía con los parámetros de rendimiento requeridos, incluso después de años de pruebas.

En el futuro, veremos cómo los turbofan se vuelven más eficientes, los misiles impulsados por ramjet y scramjet se vuelven más populares y podrían surgir nuevos tipos de motores. Pero actualmente, el turbofan es el rey y el turbohélice es la reina para impulsar un avión hacia adelante y los turboejes gobiernan el mundo de los helicópteros.

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Rifle antimaterial: Ejemplos modernos

Rifle antimaterial

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Rifle sudafricano DENEL 20X110HS NTW-20 adquirido para evaluación en Estados Unidos

El rifle antimaterial (antimateriél o equipo) es el sucesor del rifle antitanque de la Primera Guerra Mundial y principios de la Segunda Guerra Mundial. Esencialmente un rifle de gran calibre y alta velocidad que dispara municiones especiales perforantes de blindaje, está diseñado para operar contra equipos enemigos, como vehículos de piel fina y vehículos con blindaje ligero. El arma también se puede utilizar para disparos de largo alcance. Los rifles antimateriales suelen ser los preferidos por las unidades militares de operaciones especiales.

El uso ofensivo de rifles antimaterial o rifles de alcance especial (SASR) se denomina interdicción de objetivos duros (HTI) por el ejército de los Estados Unidos.

Los rifles antimaterial también se pueden utilizar en funciones no ofensivas, por ejemplo, para destruir de forma segura municiones sin detonar.

La ametralladora Browning M2 calibre 50 del Ejército de los EE. UU., que puede dispararse de un solo tiro como un rifle de francotirador, encaja en esta categoría. El rifle antimaterial austriaco Steyr de 25 mm, con un alcance efectivo declarado de 1,2 millas, cuenta con un freno de boca y una funda hidroneumática para reducir el retroceso. El arma tiene un bípode y se puede desarmar para facilitar el transporte por parte de su tripulación. Entre otras armas de este tipo se encuentra el Denel NTW-20 de Sudáfrica. Este rifle de cerrojo de 20 mm cuenta con un cargador de caja de montaje lateral de 3 rondas. También hay un modelo de 14,5 mm. Para reducir el retroceso, el NTW-20 utiliza un amortiguador hidráulico de doble acción junto con un freno de boca de doble deflector.


Los británicos le dirán que tenga cuidado con los astutos agricultores holandés-africanos con rifles.

Entre otras armas similares se encuentran los Armalite AR50 y el Barrett M82A1 americanos, que disparan proyectiles OTAN de 12,7 mm (calibre 50); el British Accuracy International AW50F, disparando el proyectil OTAN de 12,7 mm (calibre .50); los rifles húngaros Gerpard M1 (B) y M2 (B) de 12,7 mm, que con el cañón cambiado también pueden disparar la bala de calibre .50; y el rifle ruso KSVK de 12,7 mm. 

Nombre	País	Año	Calibre
Steyr IWS 2000	Austria	1980	15.2×169mm propietario de Steyr APFSDS
Steyr HS .50	Austria	2004	.50 BMG .460 Steyr
Istiglal	Azerbaiyán	2008	14.5×114mm
AMR-2	China	2000	12.7×108mm (.50 Ruso)
JQ	China		12.7×108mm (.50 Ruso)
JS 12.7	China		12.7×108mm (.50 Ruso)
LR2A	China		12.7×108mm (.50 Ruso)
Zijiang M99	China	2005	12.7×108mm (.50 Ruso) .50 BMG (12.7×99mm NATO)
W03	China		12.7×108mm (.50 Ruso)
RT-20	Croatia	1993	20x110mm Hispano
Mambi AMR	Cuba	1981	14.5×114mm
CZW-127	Chequia		.50 BMG (12.7×99mm NATO) 12.7×108mm (.50 Ruso)
Falcon	Chequia	1998	.50 BMG (12.7×99mm NATO) 12.7×108mm (.50 Ruso)
PGM Hecate II	Francia	1993	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
PDSHP	Georgia	2014	14.5×114mm
Satevari MSWP	Georgia	2015	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
DSR-Precision GmbH DSR-50	Alemania	2003	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Mauser 1918 T-Gewehr	Imperio alemán	1918	13.2mm TuF
Gepárd anti-materiel rifles	Hungría	1987	.50 BMG (12.7×99mm NATO), 12.7×108mm (.50 Ruso), 14.5×114mm Ruso
Vidhwansak	India	2005	12.7×108mm (.50 Ruso) 14.5×114mm 20×82mm
Pindad SPR-2 and SPR-3	Indonesia	2007	.50 BMG (12.7×99mm NATO) on SPR-2, 7.62 NATO on SPR-3
Shaher	Irán	2012	14.5×114mm (.57 Ruso)
MAS-2	Myanmar	2017	.50 BMG
Tor	Polonia	2005	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
KSVK	Rusia	1997	12.7×108mm (.50 Ruso)
OSV-96	Rusia	1990	12.7×108mm (.50 Ruso)
Zastava M93 Black Arrow	Serbia	1998	.50 BMG (12.7×99mm NATO) or 12.7×108mm (.50 Ruso)
Denel NTW-20	Sudáfrica	1998	14.5×114mm Ruso (NTW 14.5) 20×82mm (NTW 20) 20×110mm Hispano (NTW 20)
Truvelo SR-20[9]	Sudáfrica		14.5×114mm 20×82mm 20×110mm Hispano
SAN 511 (anterior OM 50 Nemesis)	Suiza		.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Solothurn S-18/1000	Suiza	1939	20x138mmB
MKEK MAM-15	Turkey		.50 BMG (12.7x99mm NATO)
Accuracy International AS50	UK	2007	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Accuracy International AW50	UK	2000	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Accuracy International AX50	UK	2010	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Barrett M82A1/M107	USA	1989	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Barrett M90	USA	1990	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Barrett M95	USA	1995	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Barrett M99	USA	1999	.50 BMG (12.7×99mm NATO) .416 Barrett
Barrett XM500	USA	2006	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Barrett XM109	USA	2004	25×59mm
Anzio 20mm rifle	USA		20x102mm Vulcan
Serbu Firearms BFG-50a	USA		.50 BMG (12.7×99mm NATO) .510 DTC Europ
Windrunner M96	USA	2001	.50 BMG (12.7×99mm NATO) .510 DTC Europ
Leader 50 A1	USA	2012	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Iver Johnson AMAC-1500	USA	1981	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
McMillan Tac-50	USA	2000	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
Desert Tech HTI	USA	2012	.50 BMG (12.7×99mm NATO)
AK-50	USA	2015	.50 BMG (12.7×99mm NATO)

Lecturas adicionales

Gander, Terry J. Anti-Tank Weapons. Marlborough, UK: Crowood, 2000. Hogg, I. V., and J. Weeks. Browning M2 Heavy Machine Gun. London: PRC Publishing, 1999. Hogg, I. V., and J. Weeks. Military Small Arms of the Twentieth Century. New York: Hippocrene, 1994.