Propulsión a Chorro

La propulsión a chorro es la propulsión de un objeto en una dirección, producida al expulsar un chorro de fluido en la dirección opuesta. Según la tercera ley de Newton, el cuerpo en movimiento es impulsado en dirección opuesta al chorro. Los motores de reacción que funcionan según el principio de propulsión a chorro incluyen el motor a reacción utilizado para la propulsión de aviones, la bomba de chorro utilizada para la propulsión marina y el motor de cohete y el propulsor de plasma utilizados para la propulsión de naves espaciales. La propulsión a chorro submarina también es utilizada por varios animales marinos, incluidos los cefalópodos y las salpas, y el calamar volador incluso muestra el único caso conocido de vuelo aéreo propulsado por un jet en el reino animal.

Física

La propulsión a chorro es producida por algunos motores de reacción o animales cuando el empuje es generado por un chorro de fluido que se mueve rápidamente de acuerdo con las leyes del movimiento de Newton. Es más eficaz cuando el número de Reynolds es alto, es decir, el objeto que se impulsa es relativamente grande y pasa a través de un medio de baja viscosidad.

En los animales, los chorros más eficientes son pulsados, en lugar de continuos, al menos cuando el número de Reynolds es mayor que 6.

Impulso específico

El impulso específico (normalmente abreviado I_sp) es una medida de la eficacia con la que un cohete utiliza el propulsor o un motor a reacción utiliza el combustible. Por definición, es el impulso total (o cambio en el momento) entregado por unidad de propulsor consumido y es dimensionalmente equivalente al empuje generado dividido por el caudal másico o el caudal másico del propulsor. Si se utiliza la masa (kilogramo, libra-masa o slug) como unidad de propulsor, entonces el impulso específico tiene unidades de velocidad. Si en su lugar se utiliza el peso (newton o libra-fuerza), entonces el impulso específico tiene unidades de tiempo (segundos). Al multiplicar el caudal por la gravedad estándar (g0), se convierte el impulso específico de la base de masa a la base de peso.

Un sistema de propulsión con un impulso específico más alto utiliza la masa del propulsor de manera más efectiva para crear empuje hacia adelante y, en el caso de un cohete, se necesita menos propulsor para un delta-v determinado, según la ecuación del cohete Tsiolkovsky. En los cohetes, esto significa que el motor es más eficaz para ganar altitud, distancia y velocidad. Esta eficacia es menos importante en los motores a reacción que emplean alas y utilizan aire exterior para la combustión y transportan cargas útiles mucho más pesadas que el propulsor.

El impulso específico incluye la contribución al impulso proporcionada por el aire exterior que se ha utilizado para la combustión y se agota con el propulsor gastado. Los motores a reacción utilizan aire exterior y, por tanto, tienen un impulso específico mucho mayor que los motores de cohetes. El impulso específico en términos de masa de propulsor gastado tiene unidades de distancia por tiempo, que es una velocidad artificial llamada "velocidad efectiva de escape". Esta es mayor que la velocidad de escape real porque no se tiene en cuenta la masa del aire de combustión. La velocidad de escape real y efectiva es la misma en los motores de cohetes que no utilizan aire.

El impulso específico es inversamente proporcional al consumo específico de combustible (SFC) según la relación I_sp = 1/(g_o ·SFC) para SFC en kg/(N·s) y I_sp = 3600/SFC para SFC en lb/(lbf·hr).

Empuje

De la definición de empuje de impulso específico en unidades SI se obtiene:

${\displaystyle F={\dot {m}V_{e}$

donde V_e es la velocidad de escape efectiva y ${\displaystyle {\ dot {}}}$ es la velocidad de flujo propulsante.

Tipos de motor de reacción

Los motores de reacción producen empuje expulsando masa de reacción sólida o fluida; La propulsión a chorro se aplica únicamente a motores que utilizan una masa de reacción fluida.

Motor a reacción

Un motor a reacción es un motor de reacción que utiliza aire ambiente como fluido de trabajo y lo convierte en un gas caliente a alta presión que se expande a través de una o más boquillas. Dos tipos de motores a reacción, el turborreactor y el turbofan, emplean compresores centrífugos o de flujo axial para elevar la presión antes de la combustión y turbinas para impulsar la compresión. Los ramjets operan sólo a altas velocidades de vuelo porque omiten los compresores y las turbinas, dependiendo en cambio de la presión dinámica generada por la alta velocidad (conocida como compresión del ariete). Los chorros de pulso también omiten los compresores y las turbinas, pero pueden generar empuje estático y tienen una velocidad máxima limitada.

Motor de cohete

El cohete es capaz de operar en el vacío del espacio porque depende de que el vehículo lleve su propio oxidante en lugar de utilizar el oxígeno del aire o, en el caso de un cohete nuclear, calienta un propulsor inerte (como hidrógeno líquido) forzándolo a través de un reactor nuclear.

Motor de plasma

Los propulsores de plasma aceleran el plasma por medios electromagnéticos.

Bomba-chorro

La bomba de chorro, utilizada para la propulsión marina, utiliza agua como fluido de trabajo, presurizada por una hélice con conductos, una bomba centrífuga o una combinación de ambas.

Animales propulsados por Jet

Los cefalópodos como los calamares utilizan propulsión a chorro para escapar rápidamente de los depredadores; utilizan otros mecanismos para nadar lentamente. El chorro se produce expulsando agua a través de un sifón, que normalmente se estrecha hasta convertirse en una pequeña abertura para producir la máxima velocidad de exhalación. El agua pasa por las branquias antes de la exhalación, cumpliendo el doble propósito de respiración y locomoción. Las liebres marinas (moluscos gasterópodos) emplean un método similar, pero sin la sofisticada maquinaria neurológica de los cefalópodos navegan con mayor torpeza.

Algunos peces teleósteos también han desarrollado propulsión a chorro, haciendo pasar agua a través de las branquias para complementar el movimiento impulsado por las aletas.

En algunas larvas de libélula, la propulsión a chorro se logra mediante la expulsión de agua de una cavidad especializada a través del ano. Dado el pequeño tamaño del organismo se consigue una gran velocidad.

Las vieiras y los cardidos, los sifonóforos, los tunicados (como las salpas) y algunas medusas también emplean propulsión a chorro. Los organismos propulsados por chorros más eficientes son las salpas, que utilizan un orden de magnitud menos de energía (por kilogramo por metro) que los calamares.