diseño de motores para la propulsion aeroespacial

DISEÑO DE MOTORES PARA LA
PROPULSION AEROESPACIAL
Elaboro:
Pablo Alejandro Arizpe
Responsable:
Cuerpo Académico de Ingeniería en Aeronáutica de la Universidad Politécnica Metropolitana de
Hidalgo
IMPORTANCIA EN LA PROPULSION
El término de propulsión de puede definir como la acción de un cuerpo rígido que
tiende a desplazarse por el incremento en la cantidad de movimiento que provoca un
impulso de la misma magnitud pero en sentido contrario a la fuente que se acelera para
provocar dicho cambio y llevar cubrir una necesidad de estabilidad o translación.
Las aplicaciones más lejanas en propulsión tienen como un antecedente histórico
el empleo de fuentes energéticas inagotables en el transporte, teniendo como principal
ejemplo a la navegación a vela, que empleaba la energía eólica de una manera práctica y
sencilla para impulsar los navíos. La posterior aparición de los molinos de viento
reforzaba este concepto, y con los molinos de agua se asentaban las primeras bases de la
Energía hidráulica, sumado además a un rediseño de los edificios para aprovechar de la
mayor manera posible la energía solar durante el día.
Durante la mayor parte de la historia humana antigua, el sistema de propulsión
dependió de los flujos naturales de energía y de la fuerza animal y humana. Fue a partir
de la revolución Industrial cuando el sistema energético mundial pasó por una transición
significativa; la máquina de vapor alimentada por carbón.
A partir de la revolución industrial las energías renovables perdieron importancia
paulatinamente debido a la aparición de energías de mayor concentración obtenidas a
partir de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y posteriormente la energía
nuclear. Aunque en la actualidad se ha hablado mucho de la sustitución del petróleo por
energías alternas debido al agotamiento de los recursos fósiles, el aumento de la
dependencia con el exterior (se consume más de lo que produce y el consumo no se
detiene) y las amenazas que se ciernen sobre el medio ambiente se debe preparar un
mejor futuro para el abastecimiento energético reduciendo la dependencia, creada desde
la revolución industrial, respecto de los combustibles fósiles. La fuerte oposición social a la
energía nuclear debido al accidente de TMI II (Harrisburg, EEUU 1979) y la demanda de
reducir las emisiones de CO2, realizada por primera vez en la conferencia de Toronto de
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1988 en base a posibles cambios climáticos mundiales, fueron los principales hechos
desencadenantes del cambio.
Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con un
potencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollo
permitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar la
base industrial en un área que puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los
impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las
formas de energía convencionales. Se puede clasificar a las diversas formas de propulsión
como sigue:
1. Propulsión basada en combustible fósil
2. Propulsión eléctrica
3. Propulsión alterna
Dentro de la primera clasificación podemos mencionar a los motores de combustión
interna y externa que se clasifican de acuerdo al ciclo termodinámico con el que trabajan
para llevar a cabo la generación de energía mecánica o propulsión, en materia
aeronáutica para propulsar aeronaves pequeñas se usan motores alternativos basados en
el ciclo Otto y para aeronaves de gran velocidad y/o tamaño y peso se usan aeroreactores
basados en el ciclo Joule Brayton como son el turborreactor, turboventilador, turbohélice
y turbo eje principalmente.
La propulsión eléctrica es un medio muy versátil de propulsión ya que se puede
considerar como energía limpia, generalmente es alimentada por acumuladores o
generadores eléctricos que son movidos por motores de combustión fósil, este tipo de
propulsión se pensó antiguamente para propulsión vehículos totalmente sumergidos en
un fluido líquido y poco a poco ha tomado importancia en la propulsión aeroespacial
cuando se habla de motores iónicos o de plasma.
La propulsión alternativa es aquella que no necesita de un motor para llevarse a cabo,
como la energía eólica que puede propulsar a un velero, el cambio de área transversal en
un conducto puede incrementar la cantidad de movimiento de un fluido circulante al
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reducirse o al aumentar la velocidad, un medio muy común para el bombeo de
combustible en un motor cohete es que una especie de bolsa fabricada de un material
compuesto flexible aumenta su tamaño y por consecuencia empuja a un fluido que fluye
en una tubería presurizada hacia un generador de gas para empezar con el proceso de
combustión en estos motores.
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PROPULSION AEROESPACIAL
Motores para la propulsión aeroespacial
Electro
Térmicos
Químicos
térmico
Nucleares
Motores para la propulsión aeronáutica
Eléctricos
líquido
(MCS)
(MCL)
Alternativos
Plasma Iones
Combustible Combustible
sólido
Aeroreactores
Turbo
Turbo
Turbo
Turbo
reactor
ventilador
hélice
eje
Tabla 1 Clasificación de motores empelados en la industria aeronáutica y aeroespacial
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Otto
La propulsión aeroespacial es muy versátil ya que debe ser capaz de generar empujes
muy grandes para el lanzamiento de cohetes portadores y también empujes pequeños
para estabilización en órbita de satélites, en la tabla 1 se muestran diferentes tipos de
motores para la propulsión aeroespacial.
Los motores térmicos empleado en la propulsión aeroespacial son los más
comúnmente conocidos dividiéndose en dos grandes grupos, los motores térmicos
químicos y en los motores basados en energía nuclear. Dentro de los motores químicos se
puede mencionar a los motores que emplean combustible líquido, los cuales mezclan un
carburante con un oxidante de forma vaporizada a la cámara de combustión generando
propulsión con una gran fuerza de empuje, en la tabla 2 se muestra las mezclas más
comunes de estos combustibles, así mismo su temperatura máxima de combustión y la
velocidad (Wa) del chorro de los productos de la combustión.
Componentes
T(K)(combustión)
Wa(m/s)
F2
+
H2
5100
4750
O2
+
H2
3700
4450
O2
+
Keroseno
3600
3600
N2O4
+
H2
3500
3450
HNO3
+
Keroseno
3200
3150
Tabla 2 Tipos de combustibles para motor cohete de combustible liquido
Este motor es muy complejo ya que cuenta con diferentes sistemas que optimizan su
funcionamiento como es el caso del sistema de bombeo que dependiendo de su
configuración es un sistema esencial para repartir la mezcla de los reactivos de la
combustión en cantidades apropiadas (estequiometria) y llevarlos a la cámara de
combustión, también se cuenta con el sistema de refrigeración y precalentamiento que
ayuda a disminuir la temperatura de la estructura del motor y precalienta el fluido
carburante para una buena combustión, el sistema de recolección de agua en caso de usar
la mezcla de hidrogeno y oxígeno, esta agua es 100% reutilizable y potable, el sistema de
inyección que ayuda a vaporizar en finas gotas al combustible, el sistema de encendido
que es muy importante para que se enciendan varias etapas de motores y aumentar la
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confiabilidad del motor, el sistema de escape que es prácticamente el diseño de la toberas
y por supuesto se debe mencionar al sistema de dirección del vehículo.
Siguiendo con los motores químicos también existe el motor de combustible sólido el
cual es muy confiable ya que cuando se enciende ya no se apaga hasta que se consuma
por completo dicho combustible. Dependiendo de su estructura y diseño se tienen frentes
de combustión como se muestra en la siguiente figura, en donde se visualiza la velocidad
de combustión (VCOMB) en relación al tiempo que se consume (t),
Fig. 1 Frentes de combustión en un motor químico de combustible solido
Otro tipo de motor térmico comúnmente usado es el que se basa a través de la energía
nuclear, este tipo de motor si se construye con normas estrictas de seguridad genera un
alto rendimiento y es muy seguro pero también costoso ya que emplea uranio 235
(92U235) como componente principal para la energía nuclear e hidrogeno como fluido de
trabajo, se utiliza hidrogeno debido a su bajo peso molecular, lo cual otorga altas
velocidades a la salida. Está constituido por un sistema de tubos energéticos nucleares,
donde se hace la reacción química. Este tipo de motor se emplea en aparatos cósmicos de
tamaño mediano como lo son que realizan viajes interplanetarios o estaciones espaciales.
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Como parte de la propulsión aeroespacial con energía alterna se puede mencionar los
motores electro-térmicos que se pueden clasificar en dos tipos: Motor de calentador
eléctrico o termo catalizador y motor circular o de arco eléctrico. En el primero el flujo
másico ingresa al motor y por medio de una resistencia lo calienta para direccionarlo
hacia una tobera, este motor es de empuje pequeño, alrededor de 0.1N, y tiene la limitante
de la resistencia (la temperatura máxima que se alcanza con la resistencia), también
utiliza para la recuperación de energía películas térmicas en el perímetro de dicho motor
y alcanza velocidades de flujo de hasta 3500m/s. En el segundo tipo de motor, el cual se
muestra en la figura 2, existen dos entradas para flujo másico, la primera es para un
plasma frio y el segundo para un plasma caliente.
Fig. 2 Motor de arco eléctrico o circular
La velocidad de salida es de alrededor 35000m/s y su empuje abarca los rangos
desde 10 a hasta 100N y es utilizado para aparatos cósmicos de pequeño tamaño.
Por ultimo en la propulsión aeroespacial se emplean de forma común los motores
que entran en la clasificación de eléctricos como lo son, los motores de plasma y los
motores iónicos, en el motor de plasma también denominado motor magneto dinámico,
existen 2 tipos de corrientes, una para el impulso y la otra para movimiento mecánico. Las
paredes del motor sirven de ánodo, a las cuales se les induce una corriente eléctrica de tal
forma que generan entre ambas una corriente, también utilizan un arco eléctrico que
sirven de cátodos, pero no es de doble flujo, La velocidad de salida es alrededor de
100Km/s, la cual es muy alta pero el empuje también depende del flujo másico, el cual es
pequeño como todos los motores de su tipo. En el caso del motor iónico que también se
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puede considerar como un motor electroestático, utiliza iones como fluido de trabajo
aunque en forma estricta no se le puede llamar fluido aunque su comportamiento sea el
mismo. Hay tres tipos de ionización, térmica, nuclear y de radiofrecuencia, se entiende
por ionización al proceso de producir iones; los iones se producen a través de un gas de
trabajo. Este motor consta de dos partes principales, la fuente de iones y el acelerador, la
velocidad teórica de salida puede alcanzar hasta los 150km/s con potencia de 1KW
debido a su pequeño flujo másico.
Entrando en la propulsión aeronáutica, se debe hablar del término común de
propulsión a chorro, los motores más comunes que se emplean en aviación son los
aeroreactores los cuales se describen brevemente a continuación y se basan en el ciclo
termodinámico Joule-Brayton
Fig. 3 Dibujo esquemático de Turboreactor
En el esquema anterior se muestra un turborreactor (TurboJet) donde el aire pasa
por el difusor disminuyendo la velocidad, después fluye de manera continua hacia la
entrada del compresor donde se comprime y es enviado a la cámara de combustión. Los
gases productos de la combustión que se originan en la cámara de combustión con
elevada presión y temperatura fluyen hacia la sección de la turbina. La función de la
turbina es extraer cierta cantidad de energía de presión de los gases que pasan por ella,
producto de la combustión. La energía que se extrae se invierte en comunicar un par de
giro al compresor (trabajo mecánico), y por ello la turbina y el compresor están unidos
mecánicamente mediante uno más ejes. A continuación, se puede incorporar una sección
de post-combustión en donde es aprovechado el remanente de oxígeno, que no fue
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utilizado en la cámara de combustión, para realizar una nueva reacción química e
incrementar la energía cinética de los gases y la variación en la cantidad de movimiento.
La turbina también suministra la potencia necesaria para accionar los distintos sistemas
como bombas, generadores, aunque la fracción que absorben estos es muy pequeña en
comparación con el compresor, con lo cual se puede mencionar que el trabajo de la
turbina es igual al trabajo del compresor.
El Turboventilador (TurboFan) es el tipo más común de la turbina de gas usado
para la propulsión de aeronaves. Una parte del aire entra en el motor (core o núcleo) y se
comprime, pasando a la cámara de combustión. Este funcionamiento es idéntico al del
turborreactor. Pero no toda la energía se utiliza para mover al compresor. Parte de la
energía que extrae la turbina, se emplea en accionar un ventilador que genera otro flujo
paralelo realizando el empuje. El consumo específico de combustible es bajo así como la
eficiencia es relativamente alta por lo que esta configuración de motor es excelente para
uso civil y militar. Los turboventiladores suelen evaluarse en función de su relación de
by-pass que se define como el cociente entre los gastos de corriente (cantidad de volumen
de aire por segundo) del by-pass (corriente fría) y del compresor.
El Turbohélice (TurboProp) desarrolla más potencia que la necesaria para el
accionamiento del compresor, y transmite la potencia sobrante a una hélice. Desde el
punto de vista de la transformación de la energía, la diferencia entre un turboreactor y
un turbohélice consiste en que en el turboreactor, el empuje lo produce únicamente la
variación de la cantidad de movimiento del flujo que atraviesa el motor, mientras que en
el turbohélice lo produce principalmente la hélice (uno genera empuje y otro genera
tracción). Fue ideado originalmente para ahorrar combustible y mejorar la eficiencia
térmica del motor a reacción, especialmente cuando se trabaja a velocidades subsónicas
elevadas. Pronto se descubrió que ejercía una influencia considerable en el ruido,
problema que se agravó con la entrada en servicio comercial de un gran número de
aviones de propulsión a reacción. Se utiliza para aeronaves que no alcanzan grandes
techos operativos (altitudes) debido a que la disminución en la densidad del aire provoca
un barrido en la hélice perdiendo eficiencia y potencia.
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El turbo eje (TurboShaft) corresponde con la configuración de una turbina de gas
de tipo industrial pero aplicada al medio aeronáutico, se emplea mucho en la propulsión
de helicópteros debido a su forma compacta. Está formado de tres rotores y estatores, su
utilización puede ser por parte de la aviación comercial y de la militar no hay restricción.
Por ultimo tal vez el motor más antiguo usado en aviación es el motor alternativo
basado en el ciclo termodinámico Otto, Un motor en base al ciclo Otto para aviación
trabaja con 4 tiempos, el pistón genera 2 movimientos hacia arriba y 2 hacia abajo y en
cada movimiento se genera un tiempo. El motor de 4 tiempos en cada 2 revoluciones del
cigüeñal se genera una explosión o trabajo, entre las características técnicas del motor
resaltan la relación de compresión, geometría, temperatura máxima, torque, numero de
cilindros, potencia y la cilindrada, dichas características nos definen al motor y nos dan
una idea de su rendimiento y calidad como maquina térmica generadora de potencia para
mover una hélice y generar tracción en la aeronave. Por eso es vital para el ingeniero
mecánico y aeronáutico conocer esos parámetros a fondo. Este tipo de motor e emplea
para aeronaves de pequeño y mediano tamaño su velocidad está limitada, así mismo su
techo operativo.
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