Pulsejet
Un motor pulsejet (o pulse jet) es un tipo de motor a reacción en el que la combustión se produce por pulsos. Un motor pulsorreactor se puede fabricar con pocas o ninguna pieza móvil, y es capaz de funcionar de forma estática (es decir, no necesita que se fuerce aire en su entrada, normalmente mediante el movimiento hacia adelante). El ejemplo más conocido puede ser el Argus As 109-014 utilizado para propulsar la bomba voladora V-1 de la Alemania nazi.
Los motores Pulsejet son una forma liviana de propulsión a chorro, pero generalmente tienen una relación de compresión deficiente y, por lo tanto, dan un impulso específico bajo.
Hay dos tipos principales de motores de chorro de pulsos, los cuales usan combustión resonante y aprovechan los productos de combustión en expansión para formar un chorro de escape pulsante que produce empuje de manera intermitente. El primero se conoce como pulsorreactor valvulado o tradicional y cuenta con un conjunto de válvulas unidireccionales por donde pasa el aire entrante. Cuando se enciende el aire-combustible, estas válvulas se cierran de golpe, lo que significa que los gases calientes solo pueden salir a través del tubo de escape del motor, creando así un empuje hacia adelante. El segundo tipo de pulsorreactor se conoce como pulsorreactor sin válvulas. Técnicamente, el término para este motor es pulsejet de tipo acústico o pulsejet con válvulas aerodinámicas.
Una línea notable de investigación de los motores de chorro de pulsos incluye el motor de detonación de pulsos, que involucra detonaciones repetidas en el motor y que potencialmente puede brindar una alta compresión y una eficiencia razonablemente buena.
Historia
El inventor ruso y oficial de artillería retirado Nikolaj Afanasievich Teleshov patentó un motor de chorro de vapor en 1867, mientras que el inventor sueco Martin Wiberg también afirma haber inventado el primer chorro de pulso en Suecia, pero los detalles no están claros.
El primer pulsorreactor en funcionamiento fue patentado en 1906 por el ingeniero ruso V.V. Karavodin, quien completó un modelo de trabajo en 1907. El inventor francés Georges Marconnet patentó su motor pulsorreactor sin válvulas en 1908, y Ramón Casanova, en Ripoll, España, patentó un pulsorreactor en Barcelona en 1917, habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor pulsorreactor en 1931 y lo demostró en un bicicleta de propulsión a chorro. El ingeniero Paul Schmidt fue pionero en un diseño más eficiente basado en la modificación de las válvulas de admisión (o aletas), lo que le valió el apoyo del gobierno del Ministerio del Aire alemán en 1933.
En 1909, Georges Marconnet desarrolló la primera cámara de combustión pulsante sin válvulas. Fue el abuelo de todos los pulsorreactores sin válvulas. El pulsorreactor sin válvulas fue experimentado por el grupo de investigación de propulsión francés SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation), a fines de la década de 1940.
El primer uso generalizado del pulsorreactor sin válvulas fue el dron holandés Aviolanda AT-21
Argus como 109-014
En 1934, Georg Hans Madelung y Paul Schmidt, de Múnich, propusieron al Ministerio del Aire alemán una "bomba voladora" impulsado por el pulsorreactor de Schmidt. Madelung co-inventó el paracaídas de cinta, un dispositivo utilizado para estabilizar el V-1 en su picado terminal. El prototipo de bomba de Schmidt no cumplió con las especificaciones del Ministerio del Aire alemán, especialmente debido a la poca precisión, el alcance y el alto costo. El diseño original de Schmidt tenía el pulsorreactor colocado en un fuselaje como un avión de combate moderno, a diferencia del eventual V-1, que tenía el motor colocado sobre la ojiva y el fuselaje.
The Argus Company comenzó a trabajar basándose en el trabajo de Schmidt. Otros fabricantes alemanes que trabajaron en pulsorreactores y bombas voladoras similares fueron The Askania Company, Robert Lusser de Fieseler, Dr. Fritz Gosslau de Argus y la compañía Siemens, que se combinaron para trabajar en el V-1.
Con Schmidt ahora trabajando para Argus, el pulsorreactor se perfeccionó y se conoció oficialmente por su designación RLM como Argus As 109-014. La primera caída sin motor se produjo en Peenemünde el 28 de octubre de 1942 y el primer vuelo motorizado el 10 de diciembre de 1942.
El pulsorreactor se evaluó como un excelente equilibrio entre costo y función: un diseño simple que funcionó bien por un costo mínimo. Funcionaría con cualquier grado de petróleo y el sistema de obturador de encendido no estaba destinado a durar más allá de la vida útil de vuelo operativa normal del V-1 de una hora. Aunque generó un empuje insuficiente para el despegue, el jet resonante del V-1 podría operar mientras estaba parado en la rampa de lanzamiento. El diseño resonante simple basado en la relación (8,7:1) del diámetro a la longitud del tubo de escape funcionó para perpetuar el ciclo de combustión y logró una frecuencia de resonancia estable a 43 ciclos por segundo. El motor produjo 2200 N (490 lbf) de empuje estático y aproximadamente 3300 N (740 lbf) en vuelo.
La ignición en el As 014 fue proporcionada por una sola bujía automotriz, montada aproximadamente 75 cm (30 in) detrás del conjunto de válvulas montadas en la parte delantera. La chispa solo operó durante la secuencia de arranque del motor; el Argus As 014, como todos los pulsorreactores, no requería bobinas de encendido ni magnetos para el encendido; la fuente de encendido era la cola de la bola de fuego anterior durante la carrera. La carcasa del motor no proporcionaba suficiente calor para provocar la ignición del combustible de tipo diesel, ya que hay una compresión insignificante dentro de un motor de pulsorreactor.
El arreglo de válvulas Argus As 014 se basó en un sistema de obturador que operaba a la frecuencia de 43 a 45 ciclos por segundo del motor.
Se conectaron tres boquillas de aire en la parte delantera del Argus As 014 a una fuente externa de alta presión para arrancar el motor. El combustible utilizado para el encendido era acetileno, debiendo los técnicos colocar un deflector de madera o cartón en el tubo de escape para detener la difusión del acetileno antes del encendido completo. Una vez que se encendió el motor y se alcanzó la temperatura mínima de funcionamiento, se quitaron las mangueras y los conectores externos.
El V-1, al ser un misil de crucero, carecía de tren de aterrizaje; en cambio, el Argus As 014 se lanzó sobre una rampa inclinada propulsado por una catapulta de vapor impulsada por pistones. La energía de vapor para disparar el pistón fue generada por la violenta reacción química exotérmica creada cuando se combinan el peróxido de hidrógeno y el permanganato de potasio (denominados T-Stoff y Z-Stoff).
El principal uso militar del motor pulsorreactor, con la producción en volumen de la unidad Argus As 014 (el primer motor pulsorreactor jamás producido en volumen), fue para su uso con la bomba voladora V-1. El zumbido característico del motor le valió el apodo de 'bomba zumbadora'. o "garabato". El V-1 fue un misil de crucero alemán utilizado en la Segunda Guerra Mundial, más famoso en el bombardeo de Londres en 1944. Los motores Pulsejet, que son baratos y fáciles de construir, fueron la opción obvia para los diseñadores del V-1. dado a los alemanes' escasez de materiales y una industria sobrecargada en esa etapa de la guerra. Los diseñadores de misiles de crucero modernos no eligen motores de chorro de pulsos para la propulsión, sino que prefieren turborreactores o motores de cohetes. Los únicos otros usos del pulsorreactor que llegaron a la etapa de hardware en la Alemania nazi fueron el Messerschmitt Me 328 y un proyecto experimental Einpersonenfluggerät para el Heer alemán.
El personal técnico de Wright Field realizó ingeniería inversa del V-1 a partir de los restos de uno que no pudo detonar en Gran Bretaña. El resultado fue la creación del JB-2 Loon, con el fuselaje construido por Republic Aviation, y el motor de chorro de pulsos de reproducción Argus As 014, conocido por su designación estadounidense PJ31, fabricado por Ford Motor Company..
El general Hap Arnold de las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos estaba preocupado de que esta arma pudiera construirse de acero y madera, en 2000 horas-hombre y con un costo aproximado de US$600 (en 1943).
Diseño
Los motores Pulsejet se caracterizan por su simplicidad, bajo costo de construcción y altos niveles de ruido. Si bien la relación empuje-peso es excelente, el consumo de combustible específico de empuje es muy bajo. El pulsorreactor utiliza el ciclo Lenoir, que, al carecer de un controlador de compresión externo como el pistón del ciclo Otto o la turbina de compresión del ciclo Brayton, impulsa la compresión con resonancia acústica en un tubo. Esto limita la relación máxima de presión de precombustión a alrededor de 1,2 a 1.
Los altos niveles de ruido generalmente los hacen poco prácticos para aplicaciones que no sean militares y otras aplicaciones igualmente restringidas. Sin embargo, los pulsorreactores se utilizan a gran escala como sistemas de secado industrial, y ha habido un resurgimiento en el estudio de estos motores para aplicaciones tales como calefacción de alto rendimiento, conversión de biomasa y sistemas de energía alternativa, ya que los pulsorreactores pueden funcionar con casi cualquier cosa que se queme., incluidos los combustibles en partículas como el aserrín o el polvo de carbón.
Los Pulsejets se han utilizado para propulsar helicópteros experimentales, los motores están unidos a los extremos de las palas del rotor. Al proporcionar potencia a los rotores de los helicópteros, los impulsores de chorro tienen la ventaja sobre los motores de turbina o de pistón de no producir torsión sobre el fuselaje, ya que no aplican fuerza al eje, sino que empujan las puntas. Entonces se puede construir un helicóptero sin un rotor de cola y su transmisión y eje de transmisión asociados, lo que simplifica la aeronave (sigue siendo necesario el control cíclico y colectivo del rotor principal). Este concepto se estaba considerando ya en 1947 cuando la American Helicopter Company comenzó a trabajar en su prototipo de helicóptero XA-5 Top Sergeant propulsado por motores de chorro de pulsos en las puntas de los rotores. El XA-5 voló por primera vez en enero de 1949 y fue seguido por el XA-6 Buck Private con el mismo diseño de pulsorreactor. También en 1949, Hiller Helicopters construyó y probó el Hiller Powerblade, el primer rotor de chorro a presión de ciclo caliente del mundo. Hiller cambió a estatorreactores montados en la punta, pero American Helicopter pasó a desarrollar el XA-8 bajo un contrato del Ejército de EE. UU. Voló por primera vez en 1952 y se conocía como el XH-26 Jet Jeep. Usó pulsorreactores XPJ49 montados en las puntas del rotor. El XH-26 cumplió con todos sus principales objetivos de diseño, pero el Ejército canceló el proyecto debido al nivel inaceptable de ruido de los impulsores y al hecho de que el arrastre de los impulsores en las puntas del rotor hacía que los aterrizajes en autorrotación fueran muy problemáticos. Se ha afirmado que la propulsión de punta de rotor reduce el costo de producción de las naves de alas giratorias a 1/10 del de las aeronaves de alas giratorias de motor convencional.
Los Pulsejets también se han utilizado en modelos de aviones controlados por radio y de línea de control. El récord de velocidad para el modelo de avión impulsado por chorro de impulsos de línea de control es superior a 200 millas por hora (323 km/h).
La velocidad de un jet de pulso controlado por radio de vuelo libre está limitada por el diseño de admisión del motor. A unos 450 km/h (280 mph), la mayoría de los motores con válvulas' los sistemas de válvulas dejan de cerrarse por completo debido a la presión del aire del ariete, lo que resulta en una pérdida de rendimiento.
La geometría de admisión variable permite que el motor produzca la máxima potencia a la mayoría de las velocidades mediante la optimización para cualquier velocidad a la que el aire ingrese al impulsor. Los diseños sin válvulas no se ven tan afectados negativamente por la presión del aire ram como otros diseños, ya que nunca tuvieron la intención de detener el flujo de salida de la entrada y pueden aumentar significativamente la potencia a la velocidad.
Otra característica de los motores de chorro de pulsos es que se puede aumentar su empuje mediante un conducto de forma especial colocado detrás del motor. El conducto actúa como un ala anular, que nivela el empuje pulsante, aprovechando las fuerzas aerodinámicas en el escape del chorro pulsante. El conducto, normalmente llamado aumentador, puede aumentar significativamente el empuje de un pulsorreactor sin consumo de combustible adicional. Es posible obtener ganancias del 100 % en el empuje, lo que da como resultado una eficiencia de combustible mucho mayor. Sin embargo, cuanto más grande es el conducto del aumentador, más arrastre produce y solo es efectivo dentro de rangos de velocidad específicos.
Operación
Diseños con válvula
Los motores de chorro de pulso con válvula usan una válvula mecánica para controlar el flujo de expansión del escape, obligando al gas caliente a salir por la parte trasera del motor solo a través del tubo de escape, y permitir que entre aire fresco y más combustible a través de la admisión como el la inercia del escape que escapa crea un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación. Esto atrae aire y combustible adicionales entre pulsos.
El pulsorreactor con válvula consta de una entrada con un arreglo de válvula unidireccional. Las válvulas evitan que el gas explosivo de la mezcla de combustible encendida en la cámara de combustión salga e interrumpa el flujo de aire de admisión, aunque con todos los pulsorreactores con válvulas prácticos hay algo de 'retroceso' mientras funciona estáticamente o a baja velocidad, ya que las válvulas no pueden cerrarse lo suficientemente rápido para evitar que salga algo de gas a través de la admisión. Los gases de escape sobrecalentados salen a través de un tubo de escape acústicamente resonante.
La válvula de admisión suele ser una válvula de láminas. Las dos configuraciones más comunes son la válvula de margarita y la rejilla de válvula rectangular. Una válvula de margarita consta de una lámina delgada de material que actúa como caña, cortada en forma de una margarita estilizada con "pétalos" que se ensanchan hacia sus extremos. Cada "pétalo" cubre un orificio de entrada circular en su punta. La válvula de margarita está atornillada al colector a través de su centro. Aunque es más fácil de construir a pequeña escala, es menos efectivo que una rejilla de válvula.
La frecuencia del ciclo depende principalmente de la longitud del motor. Para un motor tipo modelo pequeño, la frecuencia puede ser de alrededor de 250 pulsos por segundo, mientras que para un motor más grande como el que se usa en la bomba voladora alemana V-1, la frecuencia estaba más cerca de los 45 pulsos por segundo. El sonido de baja frecuencia producido hizo que los misiles fueran apodados "bombas zumbadoras".
Diseños sin válvulas
Los motores de chorro de pulsos sin válvulas no tienen partes móviles y usan solo su geometría para controlar el flujo de escape del motor. Los pulsorreactores sin válvulas expulsan el escape tanto de las tomas como del escape, pero la mayor parte de la fuerza producida sale a través de la sección transversal más ancha del escape. La mayor cantidad de masa que sale del escape más ancho tiene más inercia que el flujo hacia atrás que sale de la admisión, lo que le permite producir un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación, invirtiendo el flujo de la admisión a su dirección adecuada, y por lo tanto, ingiriendo más aire y combustible. Esto sucede docenas de veces por segundo.
El pulsorreactor sin válvula funciona según el mismo principio que el pulsorreactor con válvula, pero la 'válvula' es la geometría del motor. El combustible, como gas o líquido pulverizado atomizado, se mezcla con el aire en la admisión o se inyecta directamente en la cámara de combustión. Arrancar el motor generalmente requiere aire forzado y una fuente de ignición, como una bujía, para la mezcla de combustible y aire. Con los diseños de motores fabricados modernos, casi cualquier diseño se puede hacer para que arranque automáticamente proporcionando al motor combustible y una chispa de encendido, arrancando el motor sin aire comprimido. Una vez en marcha, el motor solo requiere la entrada de combustible para mantener un ciclo de combustión autosuficiente.
El ciclo de combustión consta de cinco o seis fases según el motor: Inducción, Compresión, (opcional) Inyección de Combustible, Encendido, Combustión y Escape.
Comenzando con la ignición dentro de la cámara de combustión, la combustión de la mezcla de aire y combustible eleva una alta presión. El gas presurizado de la combustión no puede salir hacia adelante a través de la válvula de admisión unidireccional y, por lo tanto, sale solo hacia atrás a través del tubo de escape.
La reacción de inercia de este flujo de gas hace que el motor proporcione empuje, y esta fuerza se utiliza para impulsar un fuselaje o una pala de rotor. La inercia de los gases de escape que viajan provoca una baja presión en la cámara de combustión. Esta presión es menor que la presión de entrada (aguas arriba de la válvula unidireccional), por lo que comienza la fase de inducción del ciclo.
En el más simple de los motores de chorro de pulso, esta admisión se realiza a través de un venturi, lo que hace que el combustible se extraiga de un suministro de combustible. En motores más complejos, el combustible puede inyectarse directamente en la cámara de combustión. Cuando la fase de inducción está en marcha, se inyecta combustible en forma atomizada en la cámara de combustión para llenar el vacío formado por la salida de la bola de fuego anterior; el combustible atomizado intenta llenar todo el tubo, incluido el tubo de escape. Esto hace que el combustible atomizado en la parte trasera de la cámara de combustión parpadee. cuando entra en contacto con los gases calientes de la columna de gas anterior, este destello resultante "golpea" las válvulas de láminas se cierran o, en el caso de diseños sin válvulas, detienen el flujo de combustible hasta que se forma un vacío y se repite el ciclo.
Los pulsorreactores sin válvula vienen en varias formas y tamaños, con diferentes diseños adecuados para diferentes funciones. Un motor sin válvulas típico tendrá uno o más tubos de admisión, una sección de cámara de combustión y una o más secciones de tubo de escape.
El tubo de admisión toma aire y lo mezcla con combustible para quemar, y también controla la expulsión de gases de escape, como una válvula, limitando el flujo pero sin detenerlo por completo. Mientras se quema la mezcla de combustible y aire, la mayor parte del gas en expansión es expulsado por el tubo de escape del motor. Debido a que los tubos de admisión también expulsan gas durante el ciclo de escape del motor, la mayoría de los motores sin válvulas tienen las tomas hacia atrás para que el empuje creado se sume al empuje general, en lugar de reducirlo.
La combustión crea dos frentes de ondas de presión, uno que desciende por el tubo de escape más largo y otro por el tubo de admisión más corto. Al 'afinar' correctamente el sistema (diseñando correctamente las dimensiones del motor), se puede lograr un proceso de combustión resonante.
Mientras que algunos motores sin válvulas son conocidos por consumir mucho combustible, otros diseños usan significativamente menos combustible que un impulsor de válvulas, y un sistema diseñado correctamente con componentes y técnicas avanzadas puede competir o superar la eficiencia de combustible de los motores turborreactores pequeños.
Un motor sin válvulas correctamente diseñado sobresaldrá en vuelo, ya que no tiene válvulas, y la presión del aire de impacto al viajar a alta velocidad no hace que el motor deje de funcionar como un motor con válvulas. Pueden alcanzar velocidades máximas más altas, con algunos diseños avanzados capaces de operar a Mach.7 o posiblemente más.
La ventaja del pulsorreactor de tipo acústico es la simplicidad. Dado que no hay partes móviles que se desgasten, son más fáciles de mantener y más simples de construir.
Usos futuros
Los Pulsejets se utilizan hoy en día en aviones no tripulados objetivo, aviones modelo de línea de control de vuelo (así como aviones controlados por radio), generadores de niebla y equipos industriales de secado y calefacción para el hogar. Debido a que los pulsorreactores son una forma eficiente y sencilla de convertir el combustible en calor, los experimentadores los están utilizando para nuevas aplicaciones industriales, como la conversión de combustible de biomasa y los sistemas de calderas y calentadores.
Algunos experimentadores continúan trabajando en diseños mejorados. Los motores son difíciles de integrar en los diseños de aviones tripulados comerciales debido al ruido y la vibración, aunque sobresalen en los vehículos no tripulados de menor escala.
El motor de detonación por pulsos (PDE) marca un nuevo enfoque hacia los motores a reacción no continuos y promete una mayor eficiencia de combustible en comparación con los motores a reacción turbofan, al menos a velocidades muy altas. Pratt &erio; Whitney y General Electric ahora tienen programas activos de investigación de PDE. La mayoría de los programas de investigación de PDE utilizan motores de chorro de pulsos para probar ideas al principio de la fase de diseño.
Boeing tiene una tecnología de motor de chorro de pulso patentada llamada Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), que propone usar motores de chorro de pulso para elevación vertical en aviones VTOL militares y comerciales.
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