Motor a reacción

Para cualquier aeronave motorizada, solo una parte de la energía mecánica generada por el motor se gasta en poner el vehículo en movimiento, es decir, en su aceleración, superando la fuerza de arrastre , y al subir - gravedad. El resto, que es una pérdida de energía, se convierte en energía cinética del movimiento residual de la corriente en chorro en relación con el entorno externo condicionalmente inmóvil (para DMA, la atmósfera).

La eficiencia de la WFD como hélice determina la eficiencia de vuelo o empuje : la parte relativa de la energía mecánica generada por el motor, gastada en poner el dispositivo en movimiento, se expresa mediante la fórmula :

Aquellos. esta es la relación entre la velocidad de vuelo y la media aritmética de las velocidades de vuelo y del chorro. Comparando las fórmulas (1) y (2), podemos concluir que cuanto mayor sea la diferencia entre el caudal de gas de la boquilla y la velocidad de vuelo, mayor será el empuje del motor y menor la eficiencia de vuelo. Si las velocidades de vuelo y la salida de gases por la boquilla son iguales, la eficiencia de vuelo será igual a 1, es decir, 100%, pero el empuje del motor será igual a 0. Por esta razón, el diseño de la WFD es un compromiso entre el empuje que crea y su eficiencia de vuelo.

La búsqueda de un compromiso aceptable condujo a la creación de los motores turborreactores , turboventiladores y turbopropulsores de derivación , que actualmente son los motores aeronáuticos más comunes, tanto de alta velocidad, de combate, como económicos, de pasajeros y de transporte (ver Motor turborreactor ).

Motor Scramjet

Un motor estatorreactor ( ramjet , ing.  Ramjet ) es el más simple de la clase de estatorreactor en términos de dispositivo. El aumento de presión necesario para el funcionamiento del motor se logra frenando el flujo de aire que se aproxima.

El flujo de trabajo ramjet se puede describir brevemente de la siguiente manera:

• El aire, que ingresa a la velocidad de vuelo en la entrada del motor, se ralentiza y se comprime; en la entrada de la cámara de combustión, la presión del fluido de trabajo alcanza su valor máximo en toda la longitud del recorrido del flujo del motor.
• El aire comprimido en la cámara de combustión se calienta debido a la oxidación del combustible que se le suministra, mientras que aumenta la energía interna del fluido de trabajo.
• Al expandirse en la boquilla , el fluido de trabajo acelera y expira a una velocidad mayor que la velocidad del flujo que se aproxima, lo que crea un empuje de chorro.

Estructuralmente , el ramjet tiene un dispositivo extremadamente simple. El motor consta de una cámara de combustión, en la que entra aire desde el difusor y combustible desde los inyectores de combustible. La cámara de combustión termina con la entrada a la boquilla, por regla general, estrechándose-expandiéndose .

Dependiendo de la velocidad de vuelo, los motores estatorreactores se dividen en subsónicos , supersónicos e hipersónicos . Esta división se debe a las características de diseño de cada uno de estos grupos.

Motores estatorreactores subsónicos

Los motores estatorreactores subsónicos están diseñados para volar a velocidades con un número de Mach de 0,5 a 1. El frenado y la compresión de aire en estos motores se producen en el canal de expansión del dispositivo de entrada: el difusor .

Debido al bajo grado de aumento de presión durante el frenado de aire a velocidades subsónicas (máximo - 1,9 a M = 1), estos motores tienen una eficiencia térmica muy baja (16,7% a M = 1 en un proceso ideal, sin tener en cuenta las pérdidas) , debido a que resultaron poco competitivos en comparación con otros tipos de motores de aeronaves y actualmente no se producen en masa.

Motores estatorreactores supersónicos

Los SPVRD están diseñados para vuelos en el rango Mach 1-5 . La desaceleración de un flujo de gas supersónico siempre ocurre de forma discontinua (en forma de salto) con la formación de una onda de choque , también llamada onda de choque . Cuanto más intensa sea la onda de choque, es decir, cuanto mayor sea el cambio en la velocidad del flujo en su frente, mayor será la pérdida de presión, que puede superar el 50%.

Las pérdidas de presión se pueden minimizar organizando la compresión no en una, sino en varias ondas de choque sucesivas de menor intensidad, después de cada una de las cuales disminuye el caudal. En el último salto, la velocidad se vuelve subsónica y se produce una mayor desaceleración y compresión de aire de forma continua en el canal del difusor en expansión.

En el rango de velocidades supersónicas , un estatorreactor es mucho más eficiente que en el subsónico. Por ejemplo, a Mach 3 para un estatorreactor ideal , la relación de presión es 36,7, que es comparable a los compresores de alta presión de los motores turborreactores (por ejemplo, para el motor turborreactor AL-31FP esta cifra es 23), y la eficiencia térmica teóricamente alcanza el 64,3%. Para los estatorreactores reales, estas cifras son más bajas, pero incluso teniendo en cuenta las pérdidas, en el rango de número de Mach de vuelo de 3 a 5, los estatorreactores supersónicos son superiores en eficiencia a todos los demás tipos de estatorreactores .

El factor que limita las velocidades de funcionamiento del SPVRD desde arriba es la temperatura del aire de estancamiento, que en M>5 supera los 1500 °C, y el calentamiento adicional significativo del fluido de trabajo en la cámara de combustión se vuelve problemático debido a la limitación de la resistencia térmica de materiales estructurales.

estatorreactor hipersónico

Un estatorreactor hipersónico ( scramjet , ing.  Scramjet ) es un estatorreactor que opera a velocidades de vuelo de más de cinco veces la velocidad del sonido ( M > 5) y está diseñado para vuelos en la estratosfera . El posible propósito de una aeronave con un estatorreactor hipersónico  es la etapa más baja de un portaaviones espacial reutilizable.

Teóricamente, un motor scramjet permite alcanzar velocidades de vuelo más altas en comparación con un motor scramjet, debido al hecho de que el flujo de aire de entrada al motor scramjet solo se ralentiza parcialmente, de modo que el flujo del fluido de trabajo a lo largo de todo el flujo trayectoria del motor sigue siendo supersónica. En este caso, el flujo retiene la mayor parte de su energía cinética inicial y el aumento de su temperatura durante la desaceleración y la compresión es relativamente pequeño. Esto le permite calentar significativamente el fluido de trabajo, quemar el combustible en un flujo supersónico y, al expandirse, sale de la boquilla a una velocidad superior a la velocidad de vuelo.

Existen varios programas para el desarrollo de motores estatorreactores hipersónicos en diferentes países, pero a principios del siglo XXI este tipo de motor sigue siendo hipotético, no hay una sola muestra que haya pasado las pruebas de vuelo, lo que confirma la viabilidad práctica de su producción en masa. .

estatorreactor nuclear

En la segunda mitad de los años 50 , durante la era de la Guerra Fría , se desarrollaron proyectos de estatorreactores con reactor nuclear en EE.UU. y la URSS . La fuente de energía de estos motores no es la reacción química de la combustión del combustible, sino el calor generado por un reactor nuclear ubicado en el lugar de la cámara de combustión. El aire de la entrada en un estatorreactor de este tipo atraviesa el núcleo del reactor, lo enfría y se calienta y, al expandirse, sale de la boquilla a una velocidad superior a la velocidad de vuelo.

Un posible propósito de un avión con un motor de este tipo es un misil de crucero intercontinental, un portador de carga nuclear. La principal ventaja de una WFD nuclear es el recurso energético del reactor, suficiente para lograr cualquier objetivo en la Tierra.

En ambos países se crearon reactores nucleares compactos de bajo consumo que encajan en las dimensiones de un gran cohete. En 1964, en los Estados Unidos, bajo los programas de investigación del estatorreactor nuclear Pluto y Tory, se llevaron a cabo pruebas de encendido en banco del motor estatorreactor nuclear Tory-IIC. No se realizaron pruebas de vuelo, el programa se cerró en julio de 1964.

Alcance

El estatorreactor no funciona en su lugar y a bajas velocidades de vuelo. Para alcanzar la velocidad inicial a la que se hace efectivo, un dispositivo con este motor necesita un accionamiento auxiliar, que puede ser proporcionado, por ejemplo, por un cohete propulsor sólido , o un avión de transporte desde el que se lanza un dispositivo con un estatorreactor . La ineficiencia de un estatorreactor a bajas velocidades de vuelo lo hace prácticamente inaceptable para su uso en aeronaves tripuladas, pero para misiles de crucero desechables de combate no tripulados que vuelan en el rango de Mach 2-5, debido a su simplicidad, bajo costo y confiabilidad, es preferible. . Actualmente, los motores estatorreactores se utilizan como motores sustentadores para misiles de crucero tierra - aire , aire-aire , aire-tierra , aviones de reconocimiento no tripulados y objetivos voladores. El principal competidor del estatorreactor en este nicho es el motor cohete .

• Muestras de misiles de crucero con ramjet de vuelo medio .

• Misil aire-aire "Meteor" (Unión Europea)

• Misil de crucero antibuque "Moskit" (Rusia)

• Lanzador 2P24 SAM "Krug" , equipado con dos SAM 3M8 (Rusia)

Motor a reacción de pulso

El motor a reacción pulsante ( PUVRD , término inglés en inglés.  Pulsejet ), como su nombre lo indica, opera en un modo de pulsación, el empuje no se desarrolla continuamente, como un estatorreactor o un motor turborreactor , sino en forma de una serie de pulsos que se suceden uno tras otro. con una frecuencia de decenas de hercios para motores grandes, hasta 250 Hz para motores pequeños.

Estructuralmente, P en WFD es una cámara de combustión cilíndrica con una boquilla cilíndrica larga de menor diámetro. El frente de la cámara está conectado a un difusor de entrada a través del cual el aire ingresa a la cámara de combustión. Se instala una válvula de aire entre el difusor y la cámara de combustión, que opera bajo la influencia de la diferencia de presión en la cámara y en la salida del difusor: cuando la presión en el difusor excede la presión en la cámara, la válvula se abre y deja entrar aire en la cámara, cuando se invierte la relación de presión, se cierra.

El ciclo de trabajo de P en la DMA se puede describir de la siguiente manera:

1. La válvula de aire está abierta, el aire ingresa a la cámara de combustión, la boquilla inyecta combustible y se forma una mezcla de combustible en la cámara.
2. La mezcla de combustible se enciende y se quema, la presión en la cámara de combustión aumenta bruscamente y cierra la válvula de aire y la válvula de retención en el camino del combustible. Los productos de la combustión, al expandirse, fluyen fuera de la tobera, creando un chorro de empuje .
3. La presión en la cámara cae, bajo la presión del aire en el difusor, la válvula de aire se abre y el aire comienza a fluir hacia la cámara, la válvula de combustible también se abre, el motor pasa a la fase 1.

El PUVRD opera en el modo de auto- oscilaciones , que coordinan la acción de todas sus partes en el tiempo. La frecuencia de estas auto-oscilaciones depende del tamaño del motor: cuanto más pequeño es el motor, mayor es la frecuencia de pulsación.

Para iniciar el proceso de combustión, se instala una bujía en la cámara, que crea una serie de descargas eléctricas de alta frecuencia y la mezcla de combustible se enciende. Después de varias decenas de ciclos del motor, las paredes de la cámara de combustión se calientan tanto que la mezcla de combustible se enciende y no se necesita una bujía.

El aumento de presión en la cámara de combustión P en el WFD , necesario para el funcionamiento del motor, se consigue en parte - por el frenado del flujo de aire que se aproxima en el difusor (con la válvula abierta), y en parte - por a la combustión de combustible en un volumen cerrado, limitado por una válvula cerrada, las paredes laterales de la cámara y la inercia de la columna de aire en una tobera larga (ver ciclo de Humphrey ). La mayoría de los PJ pueden funcionar a velocidad cero .

Modificaciones del motor de impulsos

Hay otras modificaciones de P en la WFD .

• PuVRD sin válvulas , de lo contrario, PuVRD en forma de U. Estos motores no tienen válvulas de aire mecánicas, y para que el movimiento inverso del fluido de trabajo no provoque una disminución del empuje, el tracto del motor se realiza en forma de letra latina "U", cuyos extremos se giran de vuelta en la dirección del aparato.
• Detonación PuVRD ( ing.  Pulse detonation engine ) - motores en los que la combustión de la mezcla de combustible se produce en el modo de detonación (y no deflagración ).

Alcance

PuVRD se caracteriza por ser ruidoso y derrochador , pero simple y barato . El alto nivel de ruido y vibración resulta del modo muy pulsante de su operación.

El PUVRD se instala en vehículos aéreos no tripulados desechables con velocidades operativas de hasta Mach 0,5 : objetivos voladores , drones de reconocimiento , en el pasado y misiles de crucero .

Los PuVRD se utilizan en aviación amateur y aeromodelismo , debido a su sencillez y bajo coste.

Motor turborreactor

En un motor turborreactor ( TRD , ing.  turbojet engine ), la compresión del fluido de trabajo en la entrada a la cámara de combustión y el alto valor del flujo de aire a través del motor se logran debido a la acción combinada del flujo de aire entrante y el compresor , ubicado en el tracto del turborreactor inmediatamente después del dispositivo de admisión, frente a la cámara de combustión. El compresor es accionado por una turbina montada en el mismo eje y funciona con un fluido de trabajo calentado en la cámara de combustión, a partir del cual se forma un chorro. En el compresor, la presión de aire total aumenta debido al trabajo mecánico realizado por el compresor. La cámara de combustión de la mayoría de los motores turborreactores tiene forma anular.

Desde la cámara de combustión, el fluido de trabajo calentado ingresa a la turbina, se expande, lo pone en movimiento y le da parte de su energía, y luego se expande en la boquilla y sale de ella, creando un empuje de chorro. Gracias al compresor , el turborreactor puede arrancar desde parado y operar a bajas velocidades de vuelo, condición necesaria para un motor de avión , mientras que la presión en el tracto del motor y el caudal de aire son proporcionados únicamente por el compresor.

El rango de velocidades en el que el motor turborreactor es efectivo se desplaza hacia valores más bajos, en comparación con el motor estatorreactor . El conjunto turbina-compresor, que permite crear un alto caudal y un alto grado de compresión del fluido de trabajo en la región de bajas y medias velocidades de vuelo, es un obstáculo para aumentar la eficiencia del motor en la zona de altas velocidades.

Alcance

Hasta las décadas de 1960 y 1970, los motores turborreactores se usaban activamente como motores para aviones militares y comerciales. En la actualidad, los motores turbofan de derivación más económicos (TRDD) se han generalizado .

Bypass motor turborreactor

Motor turborreactor de derivación (TRD, ing.  Turbofan ) - TRD con un diseño que le permite mover una masa adicional de aire que pasa por el circuito externo del motor. Este diseño proporciona una mayor eficiencia de vuelo en comparación con los motores turborreactores convencionales. El primero en proponer el concepto de motores turboventiladores en la industria nacional de motores de aviones fue A. M. Lyulka [13] . Sobre la base de la investigación realizada desde 1937, A. M. Lyulka presentó una solicitud para la invención de un motor turborreactor de derivación (el certificado del autor se presentó el 22 de abril de 1941). [catorce]

Después de pasar por la entrada, el aire ingresa al compresor de baja presión, llamado ventilador . Después del ventilador, el aire se divide en dos corrientes. Parte del aire ingresa al circuito exterior y, sin pasar por la cámara de combustión, forma una corriente en chorro en la boquilla. La otra parte del aire pasa por el circuito interno, completamente idéntico al del motor turborreactor , que se mencionó anteriormente.

Uno de los parámetros más importantes de un motor turboventilador es la relación de derivación , es decir, la relación entre el flujo de aire a través del circuito externo y el flujo de aire a través del circuito interno. Donde y el aire fluyen a través de los circuitos internos y externos, respectivamente.

Si volvemos a las fórmulas (1) y (2), entonces el principio de suma de masa se puede interpretar de la siguiente manera. En el motor turboventilador , según la fórmula (2), se establece el principio de aumentar la eficiencia de vuelo del motor reduciendo la diferencia entre la velocidad de expiración del fluido de trabajo de la boquilla y la velocidad de vuelo. La disminución del empuje, que según la fórmula (1), provocará una disminución de esta diferencia entre velocidades, se compensa con un aumento del flujo de aire a través del motor. La consecuencia de un aumento del caudal de aire a través del motor es un aumento del área de la sección frontal de la entrada del motor, lo que se traduce en un aumento del diámetro de la entrada del motor, lo que conlleva un aumento de su resistencia frontal. y masa En otras palabras, cuanto mayor sea la relación de derivación, mayor será el diámetro del motor, ceteris paribus.

Todos los motores turboventiladores se pueden dividir en 2 grupos: con flujos de mezcla detrás de la turbina y sin mezcla.

En un motor turboventilador de flujo mixto (TRDDsm), los flujos de aire de los circuitos externo e interno ingresan a una sola cámara de mezcla. En la cámara de mezcla estos caudales se mezclan y salen del motor por una única tobera con una única temperatura. Los TRDSM son más eficientes, sin embargo, la presencia de una cámara de mezcla conduce a un aumento en las dimensiones y el peso del motor.

Los motores turbofan, al igual que los motores turbofan , pueden estar equipados con boquillas ajustables y postquemadores. Por regla general, estos son motores turboventiladores con relaciones de derivación bajas para aviones militares supersónicos.

Medios adicionales para aumentar la eficiencia de los motores turbofan y los motores turbofan