Motor de detonación de pulso
Un motor de detonación por pulsos (PDE) es un tipo de sistema de propulsión que utiliza ondas de detonación para quemar la mezcla de combustible y oxidante. El motor es pulsado porque la mezcla debe renovarse en la cámara de combustión entre cada onda de detonación y la siguiente. Teóricamente, un PDE puede operar desde subsónico hasta una velocidad de vuelo hipersónica de aproximadamente Mach 5. Un diseño ideal de PDE puede tener una eficiencia termodinámica más alta que otros diseños como turborreactores y turboventiladores porque una onda de detonación comprime rápidamente la mezcla y agrega calor a volumen constante.. En consecuencia, las piezas móviles, como los carretes del compresor, no se requieren necesariamente en el motor, lo que podría reducir significativamente el peso y el costo total. Las PDE se han considerado para la propulsión desde 1940. Los temas clave para un mayor desarrollo incluyen la mezcla rápida y eficiente del combustible y el oxidante, la prevención de la autoignición y la integración con una entrada y una boquilla.
Hasta la fecha, no se ha puesto en producción ningún PDE práctico, pero se han construido varios motores de banco de pruebas y uno se integró con éxito en un avión de demostración de baja velocidad que voló en un vuelo sostenido propulsado por PDE en 2008. En junio de 2008, el Departamento de Defensa La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (DARPA) presentó Blackswift, que tenía la intención de utilizar esta tecnología para alcanzar velocidades de hasta Mach 6. Sin embargo, se informó que el proyecto se canceló poco después, en octubre de 2008.
Concepto
Chorros de pulso
La operación básica del PDE es similar a la del motor a reacción. En el pulsorreactor, el aire se mezcla con el combustible para crear una mezcla inflamable que luego se enciende en una cámara abierta. La combustión resultante aumenta en gran medida la presión de la mezcla a aproximadamente 100 atmósferas (10 MPa), que luego se expande a través de una boquilla de empuje.
Para garantizar que la mezcla salga por la parte trasera, empujando así la aeronave hacia adelante, se utilizan una serie de persianas para cerrar la parte delantera del motor. El ajuste cuidadoso de la entrada asegura que las persianas se cierren en el momento adecuado para obligar al aire a viajar en una sola dirección a través del motor. Algunos diseños de chorro pulsante usaban una cavidad resonante afinada para proporcionar la acción de válvula a través del flujo de aire en el sistema. Estos diseños normalmente se ven como un tubo en forma de U, abierto en ambos extremos.
En cualquiera de los dos sistemas, el pulsorreactor tiene problemas durante el proceso de combustión. A medida que el combustible se quema y se expande para crear empuje, también empuja hacia atrás, fuera de la tobera, cualquier carga que quede sin quemar. En muchos casos, parte de la carga se expulsa antes de quemarse, lo que provoca el famoso rastro de llamas que se ve en la bomba voladora V-1 y otros chorros de pulso. Incluso dentro del motor, el volumen de la mezcla cambia constantemente, lo que convierte de manera ineficiente el combustible en energía utilizable.
PDEs
Todos los motores a reacción regulares y la mayoría de los motores de cohetes funcionan con la deflagración del combustible, es decir, la combustión rápida pero subsónica del combustible. El motor de detonación por pulsos es un concepto actualmente en desarrollo activo para crear un motor a reacción que opere con la detonación supersónica del combustible. Debido a que la combustión tiene lugar tan rápidamente, la carga (mezcla de aire y combustible) no tiene tiempo de expandirse durante este proceso, por lo que tiene lugar a un volumen casi constante. La combustión de volumen constante es más eficiente que los diseños de ciclo abierto como las turbinas de gas, lo que conduce a una mayor eficiencia de combustible.
Como el proceso de combustión es tan rápido, las persianas mecánicas son difíciles de configurar con el rendimiento requerido. En cambio, las PDE generalmente usan una serie de válvulas para cronometrar el proceso con cuidado.
La mayor parte de la investigación de PDE es de naturaleza militar, ya que el motor podría usarse para desarrollar una nueva generación de aviones de reconocimiento de alta velocidad y largo alcance que volarían lo suficientemente alto como para estar fuera del alcance de cualquier defensa antiaérea actual. al tiempo que ofrece un alcance considerablemente mayor que el SR-71, que requería una flota de apoyo de camiones cisterna masiva para usar en operación.
Las dificultades clave en los motores de detonación por pulsos son lograr DDT sin requerir un tubo lo suficientemente largo como para que no sea práctico y que impida la resistencia de la aeronave (agregar una curva en U en el tubo extingue la onda de detonación); reducir el ruido (a menudo descrito como un martillo neumático); y amortiguar las fuertes vibraciones provocadas por el funcionamiento del motor.
Primer vuelo propulsado por PDE
El primer vuelo conocido de un avión propulsado por un motor de detonación de pulsos tuvo lugar en Mojave Air & Puerto Espacial el 31 de enero de 2008. El proyecto fue desarrollado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea e Innovative Scientific Solutions, Inc. El avión seleccionado para el vuelo fue un Scaled Composites Long-EZ muy modificado, llamado Borealis. El motor constaba de cuatro tubos que producían detonaciones de pulsos a una frecuencia de 80 Hz, creando hasta 200 libras de empuje (890 newtons). Los desarrolladores de motores consideraron y probaron muchos combustibles en los últimos años, pero se utilizó un octanaje refinado para este vuelo. Se utilizó un pequeño sistema de cohetes para facilitar el despegue del Long-EZ, pero el PDE operó por sus propios medios durante 10 segundos a una altitud de aproximadamente 100 pies (30 m). El vuelo se llevó a cabo a baja velocidad, mientras que el atractivo del concepto de motor PDE radica más en las altas velocidades, pero la demostración mostró que un PDE se puede integrar en la estructura de un avión sin experimentar problemas estructurales debido a las ondas de detonación de 195-200 dB. No se planean más vuelos para el Long-EZ modificado, pero es probable que el éxito genere más fondos para la investigación de PDE. El avión en sí se ha trasladado al Museo Nacional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para su exhibición.
En cohetería
Si el vehículo transporta combustible y oxidante, un motor de detonación por pulsos es independiente de la atmósfera y se puede usar en vuelos espaciales. El 26 de julio de 2021 (UTC), la agencia espacial japonesa JAXA probó con éxito un motor de cohete de detonación de pulsos en el espacio en un vuelo de cohete de sondeo S-520.
Cultura popular
- En la novela de ciencia ficción Aelita (1923), dos rusos viajan a Marte en un cohete de detonación de pulso utilizando "un polvo fino de fuerza explosiva inusual" (pág. 19).
- La novela soviética de 1939 El misterio de los dos océanos por Grigory Adamov se centra alrededor de un submarino utilizando un motor de detonación (entre otras tecnologías de vanguardia). El combustible es una mezcla de hidrógeno/oxigeno, producida a través de electrolisis de agua. En un momento, el submarino es saboteado por desactivar los indicadores de presión, causando una acumulación de la mezcla explosiva.
- X-COM: OVNI El videojuego de Defensa cuenta con aviones de combate ficticios, "Interceptor", que está alimentado por motores de detonación de pulsos duales, según descripción del juego.
- En la serie dramática de televisión JAG, el episodio de la Temporada Nueve "El que se alejó" (fecha aérea original 17 de octubre de 2003) cuenta con la Aurora, que en el espectáculo es un avión hipersónico súper secreto bajo desarrollo por la CIA que utiliza un motor de detonación de pulsos.
- En la película Stealth (2005), los combatientes avanzados utilizan motores de detonación de pulsos con impulsores de scramjet.
- El PDE ha sido utilizado como un punto de historia en varias novelas modernas como el thriller de Dan Brown Deception Point (la segunda página del libro dice que todas las tecnologías en la historia no son ficticias y existen, aunque sin referencia a ninguna fuente), y la novela de ciencia ficción de Victor Koman Reyes de la Alta Frontera.
- Temporada de Eureka Especial de Navidad de 4: Taggart crea un trineo de Santa alimentado por un motor de detonación de pulsos.