Estatorreactores en aviones

1993/10/01 Alargunsoro, F. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Garraioak
• Aeronautika

Aviones cada vez más rápidos

Para advertir de esta velocidad, se puede decir que el sonido a presión marítima tiene una velocidad de aire de 341 m/s y recorre 1.227,6 kilómetros por hora. Esta velocidad es, por definición, la velocidad de Mach 1, y son sumamente sumideros que circulan más rápido.

Si con los aviones normales actuales se necesitan dieciocho horas desde Nueva York a Tokio, el avión con superrestatorreactor viajaría tres horas a una velocidad de Mach 6. Hay que aclarar que los rusos, preparados un superrestatorreactor en el centro de investigación para motores de aviación, han alcanzado la velocidad de Mach 6 en el cosmódromo de Baikon. Esta velocidad de 7.365,6 km/h se mantuvo el año pasado en 130 segundos en un vuelo de 180 kilómetros.

Para los expertos norteamericanos ha sido una sorpresa. Y es que, a pesar de contar este año con un presupuesto de 260 millones de dólares para aviación aeroespacial, en otros tres años no tienen previsto realizar este tipo de ensayos.

El camino del estatorreactor es la vía por la que el Concorde Europa o el Boeing 747 norteamericano deben seguir dentro de unos veinte años. Para el suministro de líneas intercontinentales ya se están diseñando aviones de 6 velocidades de Mach. Estos vehículos circularían por las capas altas de la atmósfera (estratosfera) y servirían para poner en órbita algunos aparatos. El superrestatorreactor es el motor ideal para estos aviones, conocido en Norteamérica como Scramjet.

Nuevo motor y calor

Un gran obstáculo para este nuevo reactor es que la combustión se realice a velocidad moderada o hipersonal. A pesar de que el aire exterior desciende ligeramente su velocidad de entrada al motor, en la cámara de combustión tiene una velocidad de Mach 4.

M. Responsable de investigación rusa El Sr. Ogorodnikov indica que el rendimiento del estatorreactor habitual (por lo general la quema se realiza a velocidades inferiores a las de sonido) disminuye considerablemente a medida que se acercan a velocidades hijónicas (Mach 6). Entre la entrada de aire y la cámara de combustión se generan ondas de choque con temperaturas y presiones excesivas en la cámara de combustión. Esto implica una mayor resistencia mecánica en la cámara de combustión y un empuje ineficaz del reactor.

Este descenso de rendimiento se debe a dos factores. Por un lado, la energía mecánica se degrada con ondas de choque y, por otro, el balance térmico de la combustión disminuye. Además, a altas temperaturas se disocian los reactivos del combustible. Por tanto, si se quiere evitar estos problemas, el flujo de gases en los estatorreactores debe mantenerse a velocidades inferiores a las de sonido.

Marcas soviéticas

Sin embargo, hoy en día parece que los rusos también dominan los flujos suplantados. De hecho, los soviéticos llevan tiempo trabajando estos temas. En la década de 1920-30 se experimentaron con aviones y lanzadores. Tsander, S.A. Stechkine y V.I. Basado en estudios de Dudakov.

Yu en 1939. Pobedonovstev e I. A. El estatorreactor del ingeniero militar Merkulov fue probado en un avión Pollikarpov I-152. Más tarde, 2 de enero de 1940, P. Ye El piloto Loginov voló por primera vez en el mundo en el aeródromo Frunze de Moscú en el avión I-152 con el estatorreactor DM-2. 140 vuelos adicionales con estatorreactores DM-2 y DM-4.

Después, la Segunda Guerra Mundial paralizó todas las sesiones y tras los duros tiempos de Stalin volvieron a retomar este tema. E., ayudante de Sergei Paulovitx Korolev (famoso espaciista). S. El profesor Txetnikov estableció las bases teóricas para la combustión a motor a velocidad supuesta y en 1958 patentó el sistema. Los soviéticos no pensaban entonces que este motor no podía ser utilizado en los aviones, ya que su motor fue diseñado para misiles hiéricos.

(1) es el motor más simple que puede ser el estatorreactor. Sopla aire exterior a gran velocidad. Se comprime en el canal antes de mezclarse con el combustible. La mezcla se quema en la cámara de combustión y los gases resultantes de ella se descomprimen y salen rápidamente por el otro extremo del tubo. La principal ventaja del estatorreactor es que no se tiene a la pieza que se mueve, pero antes de encenderla debe tener una gran velocidad. Por eso un avión o lanzador debe llevar primero hasta esa mínima velocidad de encendido.
(2) el turborreactor puede empezar a funcionar en reposo. Sin embargo, tiene muchas piezas que se mueven y es más complicado. Compresor multi-etapa que toma aire exterior y lo comprime. Se introduce en la cámara de cocción y se mezcla con el combustible. Los gases quemados se descomprimen haciendo girar la turbina de varias etapas y accionando el eje el compresor. Debido al rozamiento de estas piezas giratorias, las velocidades máximas del turborreactor son de Mach 2 ó 3. Los estatorreactores son de Mach 10- o mayores.

Nuevo estatorreactor

No obstante, el 28 de noviembre de 1991 este motor ha sido utilizado de manera adecuada al ámbito civil, batiendo las marcas existentes. Lo que han utilizado es el estatorreactor de hidrógeno líquido. En el apartado anterior se han mencionado los problemas que tienen los estatorreactores en la cámara de cocción y éstos y otros han sido dominados por los rusos.

M. Según el responsable Ogorodnikov, el motor sólo funciona a velocidades superiores a 3.500 km/h, lo que significa que el aire introducido se calienta a 2.000 ºC. El hidrógeno líquido ha sido el más adecuado para superar los problemas en todos los combustibles probados, ya que además de generar pocos problemas de inyección y evaporación, es el que tiene mayor capacidad energética. Se ha comprobado que se quema bien en flujo subsónico y supersonal (ambos).

Han tenido que probar el motor en un vuelo atmosférico. No es posible realizar pruebas en tierra imitando condiciones a velocidad de Mach 6. También se podían realizar simulaciones por ordenador, pero la prueba aérea era la más segura para comprobar los cálculos.

Prueba rusa

En el cosmódromo de Baikoniz, el estatorreactor fue lanzado en un misil suelo/aire de cuatro aceleradoras. El “superrestatorreactor” mantuvo la velocidad de Mach 6 en 130 segundos o 180 kilómetros. Tuvieron que diseñar toda la prueba: una misión con capos, el propio motor, su funcionamiento, la refrigeración, etc.

El motor es de forma simétrica. con diferentes etapas de compresión de aire, cámara de combustión de diámetro variable y tubo de escape corto. El orificio de entrada de aire es de 0,23 metros y una longitud total de 1,28 metros. El motor se enciende automáticamente al alcanzar la velocidad de Mach 3 y se mantiene estable en todos los regímenes de funcionamiento.

La cámara de combustión del estatorreactor se ha diseñado para dos regímenes de funcionamiento. A velocidades “bajas” (Mach entre 3 y 5), el hidrógeno se quema a velocidad subsónica, pero el gas de combustión se desplaza a velocidad hipersonal entre Mach 6 y 8. El hidrógeno se alimenta a través de inyectores multicranurados que funcionan a diferentes velocidades.

El estatorreactor fue colocado en el extremo de un lanzador, con 250 captadores y medidores en el mismo proyector. También tenía montados alimentadores de combustible y sistema criogénico para mantener el hidrógeno líquido a -253 ºC. También funcionó la memoria informática para guardar las mediciones y el sistema de transmisión a la Tierra.

Este ensayo ha permitido probar la dinámica y la tecnología del gas. Se han establecido parámetros de entrada de aire, cámara de combustión, equipo de control, regulación de alimentación, refrigeración de tubo y motor completo.

La tarea más difícil es suministrar y alimentar este motor a -235 grados centígrados de hidrógeno líquido. Para ello han tenido que inventar un nuevo sistema.

El empuje ejercido por el estatorreactor oscila entre 200 y 500 kilogramos. En la cámara de cocción la temperatura oscila entre 1.500-1.800 grados y la presión es de 1 ó 2 atmósferas.

Como se ha podido comprobar en los ensayos realizados hasta el momento, el motor funciona perfectamente en ambos regímenes (subsónico y superpersonal). En consecuencia, el superrestatorreactor puede sustituir a los lanzadores que funcionan por etapas. Estos lanzadores sólo se pueden usar una vez y los aviones aeroespaciales tantas veces como se quieran.

¿En el futuro qué?

Los rusos están a punto de desarrollar este camino tan satisfactorio. Quieren probar al estatorreactor para conseguir una velocidad Mach 10 (12.276 km/h) a 35 kilómetros de altura. También pretenden ensayar con statorreactores de diferente geometría, utilizando un tirador mayor que el actual.

En Rusia, sin embargo, los problemas económicos son difíciles y tienen una gran falta de dinero para desarrollar estos programas. Como una solución es encontrar financiación en el extranjero, han dado algunos pasos en Norteamérica y otros estados.

La figura muestra el estatorreactor hipersonal (1) y el misil portador tierra/aire (2). El conjunto tiene una longitud de 4,3 metros y un diámetro máximo de 0,70 metros. Su peso es de 592 kilos. En
el canal interno del estatorreactor, cuando va el aire, tiene unos inyectores de hidrógeno. El hidrógeno se encuentra refrigerado en depósito y en forma líquida, pero antes de llegar a la inyectora se calienta en el tubo de escape y se convierte en gas.