MOTORES DE DETONACIÓN GIRATORIOS PODRÍAN PROPULSAR VUELO HIPERSÓNICO

¿Sabes en las películas, cómo los héroes están huyendo de una explosión, y luego son golpeados por la onda expansiva Este motor funcionaría así. – FUERZA AÉREA DE EE.UU.

AYER, VLADIMIR PUTIN presentó a su país un regalo de Navidad tardío: el misil hipersónico Avangard. De acuerdo con los medios rusos, es capaz de alcanzar Mach 20. Y si su capacidad para realizar maniobras evasivas a alta velocidad es tan buena como la que presumió el presidente ruso en marzo, haría que los sistemas de defensa de misiles sean efectivamente inútiles.

Los reincidentes de la Guerra Fría no son los únicos que esperan que la tecnología hipersónica ofrezca un retroceso futurista. El mes pasado marcó el 15 aniversario del último vuelo del Concorde, pero en este momento, un puñado de equipos aeroespaciales están trabajando para saltar los viajes supersónicos y lanzarse directamente al mundo Mach 5 de la propulsión hipersónica.

‘Hipersónico’ no es solo una jerga de reinicio de moda para ‘supersónico’. Es una palabra que los científicos e ingenieros utilizan para describir en general el viaje en avión entre Mach 5 y Mach 10 (que es de 3,836 y 7,673 mph para ustedes, detallistas). Las aeronaves que viajan más rápido que la velocidad del sonido necesitan todo tipo de protección térmica y rediseños aerodinámicos. Pero en realidad, todo eso es secundario a la propulsión: sin velocidad, no hay necesidad. Los motores a reacción estándar no lo cortarán. El motor de detonación giratorio, sin embargo, podría.

Los motores Turbofan son excelentes para la mayoría de los viajes comerciales, ya que pueden hacer que un avión gire hasta 600 mph a la vez que quema combustible de manera muy eficiente. Al norte de eso, se queman a través del combustible como un ganador de Powerball con 50 primos segundos. Además, no tienen el músculo para llevar una aeronave demasiado lejos más allá de Mach 1. El Concorde solucionó este último problema utilizando turbofans para alcanzar la velocidad sub-Mach, luego pateó un conjunto de dispositivos de poscombustión de turborreactores durante el resto de a través de la barrera del sonido, estableciéndose en velocidad de crucero justo por encima de Mach 2. Pero el Concorde era un avión costoso para volar, y las aerolíneas modernas se basan en el valor.

Sin embargo, el motor de detonación giratorio podría ofrecer algún día tanto una alta velocidad como una economía de combustible decente. El nombre asombroso del motor describe bastante bien cómo funciona la cosa. La cámara de detonación del motor es esencialmente un cilindro delgado y hueco (en realidad, es el espacio delgado y hueco entre dos cilindros concéntricos, si desea ser específico). El motor desencadena una detonación utilizando los medios habituales (combustible, oxígeno, presión, calor) que envían una onda de choque a través del bucle cilíndrico. Imagina una escena de película en la que los héroes huyen de una explosión y luego son golpeados por la onda expansiva. Un motor de detonación giratorio atrapa esa onda de choque en un bucle sin fin, usándola para hacer saltar repetidamente nuevas detonaciones.

Si se está preguntando cómo detona algo una onda de choque, considere cómo ocurren las explosiones: Presión. El calor es importante, pero en realidad es solo un efecto secundario de las moléculas que se fuerzan cerca unas de otras. Fuerza suficiente del tipo correcto de moléculas juntas y reaccionan. Aquí, la onda de choque se estrella contra las moléculas de oxígeno y las moléculas de combustible con tanta fuerza que comprimen, excitan y detonan. Cada detonación subsiguiente mantiene la onda de choque en marcha, y el motor mantiene esas detonaciones que vienen al alimentar la cámara con inyecciones de combustible y oxígeno cuidadosamente sincronizadas.

“Lo que esto permite que el motor haga es quemar combustible a una tasa mucho mayor en comparación con los motores de combustión convencionales”, dice Narendra Joshi, ingeniero jefe de tecnologías de propulsión de GE Research. Esta mayor tasa de quema crea más empuje, que es como estos motores (en teoría, algún día) empujarán a las aeronaves a velocidades hipersónicas.

Pero espere, ¿el consumo de combustible a una tasa más alta no es contradictorio con todo el asunto de la eficiencia En este caso, una tasa más alta no necesariamente significa más. Vea, la cámara de combustión, ese espacio delgado entre los dos cilindros de metal, es aproximadamente 10 veces más pequeña que la cámara en los motores de turbina convencionales. Eso significa que está quemando combustible a una presión mucho mayor que la de la competencia. Los motores de combustión interna (o detonación) producen trabajo al compactar el combustible. Cuanto mayor es la presión, más trabajo obtiene el motor de las moléculas una vez que explotan. “Estimamos una mejora del 5 al 10 por ciento en el consumo de gasolina”, dice Stephen Heister, un ingeniero de propulsión en la Universidad de Purdue, cuya investigación incluye motores rotativos de detonación. (Eso se compara con las turbinas convencionales, los motores a reacción, incluso los cohetes). Además, como este motor no purga una gran cantidad de subproductos de combustión que ocurren en cada ciclo, es mucho más eficiente con el combustible que quema.

Una advertencia importante: estos motores aún están en fase de prototipo. Sin embargo, General Electric no es el único que intenta hacer que este concepto funcione de verdad.Aerojet Rocketdyne ha estado creando prototipos de modelos de motores de detonación rotativa desde al menos 2010. El Departamento de Energía y la NASA también financian la investigación de estas maravillas de un día, al igual que el Departamento de Defensa (más sobre esto en un momento). Finalmente, los investigadores científicos de las escuelas de ingeniería de todo el país están trabajando en todo, desde diseños de motores hasta mecánicos de fluidos fundamentales que ocurren dentro. Ah, y eso es todo en los Estados Unidos. Será mejor que creas que Rusia, China y todos los demás países defensores del mundo están explorando los motores rotativos de detonación como parte de sus programas de misiles hipersónicos.

GE Research afirma que un avión propulsado por su motor de detonación giratorio podría viajar desde Nueva York a Los Ángeles en una hora. Sí, eso es apenas el tiempo suficiente para dormir en los tres episodios complementarios de “The Big Bang Theory” disponibles en la pantalla del respaldo del asiento, pero no hay ningún obstáculo físico que impida esa afirmación. Todo es solo una cuestión de cuándo la tecnología llega a existir. Sin embargo, los investigadores todavía están intentando bloquear algunos de los procesos físicos fundamentales que funcionan dentro de estos motores. Por ejemplo, Heister dice que todavía no saben por qué una onda de detonación a veces gira en sentido horario alrededor de la cámara de combustión y otras veces en sentido contrario a las agujas del reloj. Dichas carencias de conocimiento dificultan el diseño de un motor que funcione de manera predecible.

Otro problema es el combustible no gastado. Si los ingenieros que diseñan los motores no pueden predecir exactamente cómo se comportará la onda de detonación, no pueden calibrar de manera confiable el inyector de combustible. Esto podría significar un poco de oxígeno y el combustible pierde la ola de detonación en cada ciclo. El motor está tan caliente, esto se confunde. Puede que eso no suene como un gran problema, pero el hecho de lograr un combate técnicamente cuenta como una combustión. Para mantener esa onda de choque en movimiento, este motor necesita detonaciones de buena fe. Entonces, si el inyector de combustible no está calibrado a la perfección, estas combinaciones débiles canibalizan el combustible, y el motor ya no tiene el motor para el vuelo hipersónico. Y si su motor de detonación giratorio no puede hacer que usted siga viajando a velocidades hipersónicas, ¿cuál es el punto de control de algo?

A pesar de estos desafíos, Joshi es optimista. Él dice que GE Research ya ha resuelto muchos de los desafíos fundamentales asociados con el transporte hipersónico. Por ejemplo, la compañía está desarrollando cerámicas que pueden manejar las altas temperaturas que crea un motor de detonación rotativo, ya que contiene una explosión sin fin. Él dice que las innovaciones como éstas pondrán a los viajeros comerciales de nuevo en aviones supersónicos para 2025, y el transporte hipersónico no debería seguir mucho después.

La línea de tiempo de Joshi está supeditada a que el gobierno gubernamental intensifique su investigación hipersónica. Por suerte para él, el principal tecnólogo militar de EE. UU. Anunció que el transporte hipersónico debería ser la máxima prioridad para las mentes principales del DOD a principios de este año. La motivación del Pentágono es el temible problema geopolítico habitual: Rusia tiene el Avangard ahora, por supuesto, que funciona con un motor scramjet, y China afirma que también posee un programa robusto de investigación de misiles hipersónicos. Mientras esta carrera de armamentos no lleve a la aniquilación global, las transferencias de tecnología de este trabajo con misiles podrían ayudar a que los viajes aéreos comerciales finalmente alcancen el otro lado de la barrera del sonido nuevamente. Hey, no lo llaman la Zona de Peligro para nada.