Estatorreactores en avións

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

• Ingeniaritza
• Garraioak
• Aeronautika

Avións cada vez máis rápidos

Paira advertir desta velocidade, pódese dicir que o son a presión marítima ten una velocidade de aire de 341 m/s e percorre 1.227,6 quilómetros por hora. Esta velocidade é, por definición, a velocidade de Mach 1, e son sumamente sumidoiros que circulan máis rápido.

Si cos avións normais actuais necesítanse dezaoito horas desde Nova York a Tokio, o avión con superrestatorreactor viaxaría tres horas a unha velocidade de Mach 6. Hai que aclarar que os rusos, preparados un superrestatorreactor no centro de investigación paira motores de aviación, alcanzaron a velocidade de Mach 6 no cosmódromo de Baikon. Esta velocidade de 7.365,6 km/h mantívose o ano pasado en 130 segundos nun voo de 180 quilómetros.

Paira os expertos norteamericanos foi una sorpresa. E é que, a pesar de contar este ano cun orzamento de 260 millóns de dólares paira aviación aeroespacial, noutro tres anos non teñen previsto realizar este tipo de ensaios.

O camiño do estatorreactor é a vía pola que o Concorde Europa ou o Boeing 747 norteamericano deben seguir dentro dun vinte anos. Paira a subministración de liñas intercontinentais xa se están deseñando avións de 6 velocidades de Mach. Estes vehículos circularían polas capas altas da atmosfera (estratosfera) e servirían paira pór en órbita algúns aparellos. O superrestatorreactor é o motor ideal paira estes avións, coñecido en Norteamérica como Scramjet.

Novo motor e calor

Un gran obstáculo paira este novo reactor é que a combustión se realice a velocidade moderada ou hipersonal. A pesar de que o aire exterior descende lixeiramente a súa velocidade de entrada ao motor, na cámara de combustión ten una velocidade de Mach 4.

M. Responsable de investigación rusa O Sr. Ogorodnikov indica que o rendemento do estatorreactor habitual (polo xeral quéimaa realízase a velocidades inferiores ás de son) diminúe considerablemente a medida que se achegan a velocidades hijónicas (Mach 6). Entre a entrada de aire e a cámara de combustión xéranse ondas de choque con temperaturas e presións excesivas na cámara de combustión. Isto implica una maior resistencia mecánica na cámara de combustión e un empuxe ineficaz do reactor.

Este descenso de rendemento débese a dous factores. Por unha banda, a enerxía mecánica degrádase con ondas de choque e, por outro, o balance térmico da combustión diminúe. Ademais, a altas temperaturas se disocian os reactivos do combustible. Por tanto, se se quere evitar estes problemas, o fluxo de gases nos estatorreactores debe manterse a velocidades inferiores ás de son.

Marcas soviéticas

Con todo, hoxe en día parece que os rusos tamén dominan os fluxos suplantados. De feito, os soviéticos levan tempo traballando estes temas. Na década de 1920-30 experimentáronse con avións e lanzadores. Tsander, S.A. Stechkine e V.I. Baseado en estudos de Dudakov.

Yu en 1939. Pobedonovstev e I. A. O estatorreactor do enxeñeiro militar Merkulov foi probado nun avión Pollikarpov I-152. Máis tarde, 2 de xaneiro de 1940, P. Ye O piloto Loginov voou por primeira vez no mundo no aeródromo Frunze de Moscova no avión I-152 co estatorreactor DM-2. 140 voos adicionais con estatorreactores DM-2 e DM-4.

Despois, a Segunda Guerra Mundial paralizou todas as sesións e tras os duros tempos de Stalin volveron retomar este tema. E., axudante de Sergei Paulovitx Korolev (famoso espaciista). S. O profesor Txetnikov estableceu as bases teóricas paira a combustión a motor a velocidade suposta e en 1958 patentou o sistema. Os soviéticos non pensaban entón que este motor non podía ser utilizado nos avións, xa que o seu motor foi deseñado paira mísiles hiéricos.

(1) é o motor máis simple que pode ser o estatorreactor. Sopra aire exterior a gran velocidade. Comprímese na canle antes de mesturarse co combustible. A mestura quéimase na cámara de combustión e os gases resultantes dela se descomprimen e salguen rapidamente polo outro extremo do tubo. A principal vantaxe do estatorreactor é que non se ten á peza que se move, pero antes de acendela debe ter una gran velocidade. Por iso un avión ou lanzador debe levar primeiro até esa mínima velocidade de aceso.
(2) o turborreactor pode empezar a funcionar en repouso. Con todo, ten moitas pezas que se moven e é máis complicado. Compresor multi-etapa que toma aire exterior e comprímeo. Introdúcese na cámara de cocción e mestúrase co combustible. Os gases queimados se descomprimen facendo virar a turbina de varias etapas e accionando o eixo o compresor. Debido ao rozamiento destas pezas giratorias, as velocidades máximas do turborreactor son de Mach 2 ó 3. Os estatorreactores son de Mach 10- ou maiores.

Novo estatorreactor

No entanto, o 28 de novembro de 1991 este motor foi utilizado de maneira adecuada ao ámbito civil, batendo as marcas existentes. O que utilizaron é o estatorreactor de hidróxeno líquido. No apartado anterior mencionáronse os problemas que teñen os estatorreactores na cámara de cocción e estes e outros foron dominados polos rusos.

M. Segundo o responsable Ogorodnikov, o motor só funciona a velocidades superiores a 3.500 km/h, o que significa que o aire introducido quéntase a 2.000 ºC. O hidróxeno líquido foi o máis adecuado paira superar os problemas en todos os combustibles probados, xa que ademais de xerar poucos problemas de inxección e evaporación, é o que ten maior capacidade enerxética. Comprobouse que se queima ben en fluxo subsónico e supersonal (ambos os).

Tiveron que probar o motor nun voo atmosférico. Non é posible realizar probas en terra imitando condicións a velocidade de Mach 6. Tamén se podían realizar simulacións por computador, pero a proba aérea era a máis segura paira comprobar os cálculos.

Proba rusa

No cosmódromo de Baikoniz, o estatorreactor foi lanzado nun mísil adoito/aire de catro aceleradoras. O “superrestatorreactor” mantivo a velocidade de Mach 6 en 130 segundos ou 180 quilómetros. Tiveron que deseñar toda a proba: una misión con capos, o propio motor, o seu funcionamento, a refrixeración, etc.

O motor é de forma simétrica. con diferentes etapas de compresión de aire, cámara de combustión de diámetro variable e tubo de escape curto. O orificio de entrada de aire é de 0,23 metros e una lonxitude total de 1,28 metros. O motor acéndese automaticamente ao alcanzar a velocidade de Mach 3 e mantense estable en todos os réximes de funcionamento.

A cámara de combustión do estatorreactor deseñouse paira dous réximes de funcionamento. A velocidades “baixas” (Mach entre 3 e 5), o hidróxeno quéimase a velocidade subsónica, pero o gas de combustión desprázase a velocidade hipersonal entre Mach 6 e 8. O hidróxeno aliméntase a través de inyectores multicranurados que funcionan a diferentes velocidades.

O estatorreactor foi colocado no extremo dun lanzador, con 250 captadores e medidores no mesmo proxector. Tamén tiña montados alimentadores de combustible e sistema criogénico paira manter o hidróxeno líquido a -253 ºC. Tamén funcionou a memoria informática paira gardar as medicións e o sistema de transmisión á Terra.

Este ensaio permitiu probar a dinámica e a tecnoloxía do gas. Establecéronse parámetros de entrada de aire, cámara de combustión, equipo de control, regulación de alimentación, refrixeración de tubo e motor completo.

A tarefa máis difícil é fornecer e alimentar este motor a -235 graos centígrados de hidróxeno líquido. Paira iso tiveron que inventar un novo sistema.

O empuxe exercido polo estatorreactor oscila entre 200 e 500 quilogramos. Na cámara de cocción a temperatura oscila entre 1.500-1.800 graos e a presión é de 1 ó 2 atmosferas.

Como se puido comprobar nos ensaios realizados até o momento, o motor funciona perfectamente en ambos os réximes (subsónico e superpersonal). En consecuencia, o superrestatorreactor pode substituír aos lanzadores que funcionan por etapas. Estes lanzadores só se poden usar una vez e os avións aeroespaciais tantas veces como se queiran.

No futuro que?

Os rusos están a piques de desenvolver este camiño tan satisfactorio. Queren probar ao estatorreactor paira conseguir una velocidade Mach 10 (12.276 km/h) a 35 quilómetros de altura. Tamén pretenden ensaiar con statorreactores de diferente xeometría, utilizando un tirador maior que o actual.

En Rusia, con todo, os problemas económicos son difíciles e teñen una gran falta de diñeiro paira desenvolver estes programas. Como una solución é atopar financiamento no estranxeiro, deron algúns pasos en Norteamérica e outros estados.

A figura mostra o estatorreactor hipersonal (1) e o mísil portador terra/aire (2). O conxunto ten una lonxitude de 4,3 metros e un diámetro máximo de 0,70 metros. O seu peso é de 592 quilos. Na
canle interna do estatorreactor, cando vai o aire, ten uns inyectores de hidróxeno. O hidróxeno atópase refrigerado en depósito e en forma líquida, pero antes de chegar á inyectora quéntase no tubo de escape e convértese en gas.