Análisis de un motor a reacción.

El ciclo termodinámico de un cohete no se puede considerar como conjunto de fenómenos independientes como el caso de un motor, ya que los fenómenos de la combustión, expansión y escape se superponen y se traslapan en forma compleja.

Sin embargo, para fines de estudio consideraremos estos fenómenos idealizados y bien definidos en sus respectivos equipos para poderlos representar y analizar.

Procesos.

La relación entre la energía útil que realmente se traduce en propulsión y calor suministrado por el propelente se le denomina: “Eficiencia del motor”

Velocidad de gases de escape:

Impulso específico Fs. 

Restricciones y usos de los cohetes o motores de reacción.

RESTRICCIONES

-Condicionantes mecánicos: las cámaras de combustión normalmente operan a presión relativamente alta, normalmente 10 a 200 bar (1 a 20 MPa) algunas por encima de los 400 bar. 

-Debido a las altas temperaturas reinantes en los motores cohete los materiales utilizados tienden a sufrir una disminución significativamente de su resistencia a la tracción.

-Vibraciones: la vibración extrema y el ambiente acústico en el interior de un motor cohete comúnmente destacan algunos picos muy por encima de los valores medios, especialmente por la presencia de resonancias similares a la de los tubos de órgano y las turbulencias del gas.

-Inestabilidades de la combustión: la combustión puede presentar inestabilidades no deseadas, de naturaleza repentina o periódica. Esto puede conducir oscilaciones de presión de gran amplitud, a menudo en el rango ultrasónico, que puede dañar el motor.

-Ruido del escape: el escape cohete en comparación con otros motores en general es muy ruidoso. Cuando el escape hipersónico se mezcla con el aire ambiente se forman ondas de choque.

-Necesita grandes cantidades de propelentes, un impulso específico muy bajo (generalmente entre 100 y 450 segundos).

-Altas tensiones termales en la cámara de combustión que pueden dificultar su reutilización.

-Generalmente requiere un oxidante que aumenta los riesgos.

USOS EN LOS VEHÍCULOS 

Thrust SSC

Es una mezcla británica de automóvil y avión de combate. Alcanzó los 1.232,93 km/h, rompiendo la barrera del sonido al marcar velocidad Mach 1,002. Semejante logro fue posible porque se usaron dos motores turbofán con postquemador Rolls Royce Spey 202 como los que se emplean en los aviones de caza F-4 Phantom II.

El Thrust SSC pesa 10 toneladas, acelera de 0 a 160 kilómetros por hora en 4 s y su potencia es igual a la de 145 automóviles de Fórmula 1.

Características técnicas:

Dos turborreactores Rolls Royce Spey 202.

Potencia: 110.000 CV.

Sin transmisión: ruedas libres.

Peso: 10 toneladas.

Sistemas de seguridad

Cámaras y paracaídas: La aleta trasera funciona como estabilizador y lleva dos cámaras de televisión. Una de ellas apunta hacia atrás para controlar la apertura del paracaídas de frenado. Debajo de esta estructura se encuentran dos de las cuatro ruedas de aleación de aluminio, ubicadas en tándem.

Efecto suelo: si el morro del vehículo tiende a levantarse, dos cohetes colocados delante de la cabina del piloto orientados hacia arriba lo empujan contra la pista.

Rescate del piloto: para rescatar al piloto en caso de accidente se prepararon dos sierras eléctricas alimentadas por baterías que cortan titanio en 10 segundos, y son transportadas en un coche de bomberos que corre a 250 kilómetros por hora.

Bloodhound SSC 

Es el segundo de los vehículos diseñado por el equipo SSC con el objetivo de establecer un nuevo record de velocidad en tierra.

Características técnicas

Motores:

Primario: Turbina EJ-200, la misma que utiliza el Eurofighter (10 toneladas de empuje)

Secundario: Cohete (12.5 toneladas de empuje).

Sin transmisión: ruedas libres

Peso: 6 toneladas

Con un largo de más de 13.5 metros y un peso de más de 7.5 toneladas, el motor de doble cohete del auto producirá el equivalente a un empuje de 135000 bhp, lo que lo convierte en el vehículo terrestre más potente jamás construido. Este equipo alcanza los 1600 km/h.

Como te podrás imaginar, este objetivo ha tenido como consecuencia que el equipo deba considerar algunos cambios importantes en su diseño. Pero afortunadamente en él trabajan un equipo de expertos en Fórmula 1 y tecnología aeroespacial, quienes lograron diseñar el auto desde la raíz, además de que recibieron ayuda de ingenieros mecánicos y electrónicos de la Armada Real Británica.

Componentes de los motores a reacción.

Componentes de los motores a reacción.


Difusor de admisión: Se trata de la zona del motor destinada a la captación del aire. Se diseña de modo que actúa como un difusor, es decir que sea capaz de transformar parte de la velocidad del aire en presión estática, sin aporte de trabajo exterior. De este modo, el aire llega al compresor con una cierta pre-compresión. La geometría específica del difusor dependerá si se diseña para vuelo subsónico o supersónico.
Compresor: Se trata de una turbomáquina cuya finalidad es aumentar la presión del aire gracias al trabajo aportado por la turbina. En los motores de reacción se emplean compresores tipo rotodinámico, los cuales permiten mover grandes gastos de aire. Estos compresores pueden ser de dos tipos:



1. Axiales: El flujo del aire es siempre paralelo al eje del compresor. Los compresores axiales se componen de un gran número de etapas, cada una de las cuales está formada por una corona de álabes móviles denominada rotor y una corona de álabes fijos denominada estator. 

2. Centrifugos: el aire entra axialmente al compresor y sale radialmente. Actualmente estos compresores solo se utilizan en motores pequeños.

Cámara de combustión: Es el lugar en el que se produce la mezcla de aire y combustible y se inflama dicha mezcla. De esta forma los gases adquieren su gran energía térmica.

Turbina: en ella se transforma parte de la energía de los gases en trabajo mecánico para mover el compresor y otros accesorios. En motores de más de un eje encontramos una turbina de alta y otra de baja presión. Al igual que en el caso de los compresores, existen dos tipos fundamentales de turbinas:

1. Axiales: El flujo de aire es paralelo al eje. En el caso de las turbinas axiales, cada etapa se compone de un estator y de un rotor.

2. Centrípetas:El aire entra radialmente a la turbina y sale axialmente. Son poco utilizadas.

Tobera:En ella se aceleran los gases de escape para conseguir dotarlos de una alta velocidad, lo cual aumenta el empuje por reacción. Este aumento de velocidad se produce por difusión inversa por lo que no requiere un aporte de trabajo externo.

Historia del Cohete

Historia del Cohete

En los años 30 tanto Alemania, Estados Unidos, Rusia. Todo inicio cuando en 1913 al inventor francés Rene Lorin se le concedió una patente para su estatorreactor, pero no pudo construir un prototipo. El 15 de septiembre de 1931 se creo una oficina de investigación en la unión soviética para estudiar diversos aspectos sobre los cohetes: GIRD. 

El grupo se organizó en cuatro brigadas y diez proyectos para estudiar motores de cohetes y misiles alados y sin alas. Sergey Korolev, el futuro líder del programa espacial soviético, fue el jefe general de GIRD.

Primera brigada 

motor experimental OR-1

Fridrikh Arturovich Tsander encabezó la primera brigada. Tsander comenzó a trabajar en el motor experimental OR-1 en 1929. Tsander lo usó para investigar combustibles energéticos, incluyendo metales en polvo mezclados con gasolina. La cámara se enfrió regenerativamente por el aire que entra por el extremo de la boquilla. La boquilla se enfrió adicionalmente mediante agua que circula a través de una bobina.

motor OR-2

El Proyecto 02, el motor OR-2, fue diseñado para el planeador propulsado por cohete RP-1 de Korolev. Quema oxígeno y gasolina gaseosos, produciendo un empuje de 50 kgf.

El motor se modificó posteriormente para quemar alcohol, que generó menos calor que la gasolina, y su empuje se incrementó a 80 kgf.

 GIRD-X

El motor del proyecto 10 fue diseñado para el cohete GIRD-X y el primer banco probado en marzo de 1933. Quemando LOX y gasolina, produjo un empuje de 70 kgf. Este fue también uno de los primeros motores que se enfriaron regenerativamente. El refrigerante era el oxígeno líquido, que entraba en los tubos cerca de la base y fluía alrededor de la pared interna de la cámara de combustión antes de entrar en ella. Los problemas de quemado durante las pruebas llevaron al cambio a 78% de alcohol, un combustible menos energético.

El proyecto 10 cohete fue lanzado, el 25 de noviembre de 1933. Voló a una altura de 80 metros antes de la falla del motor. Este fue el primer verdadero cohete de combustible líquido en volar en la Unión Soviética.

Segunda brigada 

Mikhail Klavdievich Tikhonravov encabezó la 2ª brigada de GIRD

Motor ORM-50

El Proyecto 03 fue el desarrollo de un motor alimentado por bomba llamado RDA-1, para ser alimentado por LOX y gasolina. Este proyecto no se completó.

En un esfuerzo conjunto con el laboratorio de dinámica de gas (GDL) en Leningrado, el 05 fue utilizar el motor ORM-50 desarrollado por Valentin Glushko. Ese era un motor de ácido nítrico / queroseno con una boquilla enfriada regenerativamente por el flujo de ácido.

Probado por primera vez en noviembre de 1933, el ORM-50 precedió a los motores enfriados regenerativamente probados por Eugene Sänger en Austria.

Proyecto 07 fue el primer cohete en el que trabajó la brigada de Tikhonravov. Su propósito era probar un sistema de propulsión LOX / keroseno, y su diseño inusual incluía tanques de combustible en las aletas de gran tamaño. Fue impulsado por el motor del proyecto 02 (OR-2) de Tsander. El cohete no fue volado hasta noviembre de 1934, usando alcohol como combustible.

Tercera brigada 

Motor Ramjet-08

Yuri Aleksandrovich Pobedonostsev fue jefe de la tercera brigada de GIRD

una de las cosas mas importantes en esta brigadaa fue la investigación de los motores ramjet. El primer motor para el proyecto 06 fue diseñado por IA Merkulov y probado en abril de 1933. Los Ramjets operan solo cuando el motor se mueve a una velocidad extremadamente alta. Para simular el vuelo supersónico, fue alimentado por aire desde un tanque, comprimido a 200 atm. Fue alimentado por fósforo blanco. En 1936, comenzó a usar un cohete de combustible sólido, el R-3, para lanzar motores experimentales de ramjet a velocidades supersónicas.

Cuarta brigada 

Misil de crucero 

Sergey Pavlovich Korolev dirigió la cuarta brigada, que emprendió la investigación de aviones propulsados ​​por cohetes. Más tarde, famoso por su trabajo con misiles balísticos y cohetes espaciales, Korolev pasó sus primeros años en una serie de misiles alados, tanto tripulados como no tripulados..

El planeador tripulado propulsado por cohetes RP-1 de Korolev iba a ser impulsado por el motor OR-2 de Tsander. El planeador fue un novedoso diseño de ala voladora de Boris I. Cheranovsky, el BICh-11. Uno fue asignado a GIRD en febrero de 1932.

Para los viajes dentro de la atmósfera de la Tierra, los cohetes alados que usaban el levantamiento aerodinámico parecían ventajosos para muchos en ese momento, particularmente porque los motores aún no eran muy poderosos. En última instancia, el proyecto RP-1 no se completó debido a dificultades con la OR-2.

El Proyecto 06 / IV fue el último misil de crucero de Korolev, también llamado Objeto 212. Fue impulsado por el motor ORM-65 de Glushko, quemando ácido nítrico y queroseno, con un empuje de 150 kgf. Fue controlado por el piloto automático mejorado GPS-3 de Pivovarov. Iniciado en 1936, no se realizó una prueba de vuelo hasta 1939.

Mientras tanto La Marina de EE.UU. desarrolló una serie de misiles aire-aire bajo el nombre de "Gorgon" utilizando la propulsión estatorreactor. Los IVs Gorgon estatorreactor, hechos por Glenn Martin, se pusieron a prueba en 1948 y 1949 en la Estación Aérea Naval Point Mugu. El motor estatorreactor sí fue diseñado en la Universidad del Sur de California y fabricado por la Compañía de Aviones Marquardt. El motor era 7 pies de largo y 20 en de diámetro y se colocó por debajo del misil.

Motores de reacción

Motores de reacción

Los motores de reacción son otro tipo de máquinas térmicas. Abarcan principalmente a turborreactores y cohetes.  

Un turborreactor consiste en una entrada de aire, un compresor de aire, una cámara de combustión, una turbina de gas (que mueve el compresor del aire) y una tobera. A diferencia de las turbinas de gas que tienen ciclo discontinuo (explosiones) esta usa funcionamiento continuo. El aire entra comprimido en la cámara, se calienta y expande por la combustión del combustible y entonces es expulsado a través de la turbina hacia la tobera siendo acelerado a altas velocidades para proporcionar la propulsión.

Para el motor tipo cohete no es necesario aire atmosférico, ya que contiene las sustancias químicas que mezcladas propician la combustión y generan gases calientes dentro de la cámara de combustión, que al ser expulsados con fuerza provocan el impulso del vehículo.

Es el motor mas potente y ligero en cuanto a naves espaciales de requiere debido a su relación de peso/potencia, es uno de los motores con menos fallos mecánicos debido a que no tiene partes móviles, tampoco requiere lubricación ni enfriamiento por lo cual su reacción es instantánea.

Principio de la conservación del momentum lineal en cohetes

Los motores de reacción de  cohetes funcionan con el principio de la conservación del momentum lineal.  El cual nos habla que  en ausencia de fuerzas externas, en un sistema cerrado, la cantidad de movimiento o momentum del sistema es constante.

Un motor a reacción es un sistema que expulsa masa y gracias al momentum el cohete se mueve en sentido contrario

En los cohetes químicos se realiza una reacción química en una cámara de combustión que libera energía térmica muy rápidamente y genera gases a temperaturas y presiones muy altas. Estos gases son entonces acelerados por una tobera y son expulsados a gran velocidad para producir el cambio de momentum que impulsa al cohete.

La reacción química puede ser realizada por una sola sustancia que se descompone al pasar por una catalizador, o bien al combinar por lo menos un par de sustancias, -un oxidante y un combustible-, las cuales, al reaccionar químicamente liberan la energía que acelera al producto de la reacción.