Como si un ángel te empujara: inicios de la propulsión a chorro (parte II)

Después de acabada la contienda en 1945, la teoría de la propulsión a chorro rápidamente se expandió entre los científicos y los técnicos de todo el mundo. Únicamente las personas poco especializadas (...y en muchos casos la propia prensa) dudaban de como funcionaba el principio de operación de una turbina de gas (ese es en realidad su nombre). 

Para ilustrar este hecho y tal como apunta muy acertadamente uno de nuestros lectores, en 1920, un periodista del The New York Times, trató de ridiculizar al Dr. Robert H. Goddard, pionero de los cohetes espaciales, ya que el Dr. Goddard afirmaba que los cohetes permitirían viajar en el vacío del espacio. El “experto” periodista, en un editorial, afirmó que era necesario TENER ALGO MEJOR QUE EL VACÍO CONTRA EL CUAL REACCIONAR, y que el Dr. Goddard parecía carecer de los conocimientos que se impartían diariamente en un instituto de secundaria. Sólo el 17 de julio de 1969, cuando el Apolo 11 estaba rumbo a la Luna, el The New York Times publicó una escueta nota corrigiendo la estupidez de su periodista 47 años atrás, de la siguiente forma: “Posteriores investigaciones y experimentación han confirmado lo que Isaac Newton descubrió en el siglo XVII y está hoy definitivamente establecido, que un cohete puede funcionar en el vacío igual que en la atmósfera. The Times lamenta su error”. Esta escueta nóota no deja entrever el tremendo daño que hizo el "famoso" periodista de marras. Muchos años después (incluso hoy en día) la gente sigue pensando incorrectamente sobre este hecho.

Con los motores de propulsión a chorro (nombre popular) ocurrió algo parecido. 

 Estos motores pueden clasificarse de muchas formas. Aquí; vamos a dar una de las más conocidas siguiendo la terminología anglosajona. La primera división entre los motores de propulsión a chorro suele ser Autonómos/no autónomos. Los sistemas autónomos no necesitan hacer ingestión de aire. Estos sulene ser los cohetes y misiles, que se propulsan con el combustible (sólido o líquido) que llevan dentro. Dentro de los motores no autónomos se distinguen aquellos con compresores y turbinas diferentes.Compresores: axiales, centrífugos, mixtos u otros (stato-reactores y pulso-reactores). Turbinas: libre o eje (spool) único, doble o triple.

Una turbina de gas funciona de forma parecida a como lo hace un motor de coche, esto es, efectuando los cuatro pasos típicos: admisión - compresión - ignición - escape. Estos mismos pasos se realizan en una turbina de gas, pero en vez de ser algo secuencial, como ocurre con un pistón, esto ocurre contínuamente a lo largo del motor. La forma onomatopéyica anglosajona define muy gráficamente estos pasos: suck - squeeze - bang - blow.

El motor a reacción se fue perfeccionando rápidamente y en un periodo de tiempo muy corto (13 años) pasó de ser un arma secreta a poder ser usado para propulsar aviones civiles. La era de la reacción civil comenzó con el Comet.

El principio físico sobre el que se asienta este tipo de propulsión es realmente antiguo. Todo fue planteado por Sir Isaac Newton en sus famosos principia publicados en 1687.

La reacción no es el efecto de los gases "empujando" contra la atmósfera. Es un fenómeno interno, tal como ocurre dentro de un globo cuando se libera el aire. Cuando el globo está cerrado existe una presión interna que trata de expandir las paredes del globo en todas direcciones con la misma fuerza. Una vez que se abre una salida para la presión interior, la fuerza interna opuesta a la que se libera es la que se encarga de impulsar al globo. Esto mismo ocurre en el interior de un motor a reacción. La misma cámara de combustión aporta una considerable cantidad de impulso al conjunto total

En la ilustración se puede ver como el empuje de un motor a reacción no es ni más ni menos que el resultado de acelerar una masa de aire. El factor clave en todo el proceso es el llamado cambio de momento. El momento en física es el producto de la masa por la velocidad. Lo que tiene que hacer un motor de propulsión a chorro es precisamente eso, crear una diferencia de momento entre el aire delante del difusor de entrada (intake) y el aire en la tobera de salida (exhaust). Cuanto mayor sea este cambio de momento (consumiendo la misma cantidad de combustible) tanto más eficiente será el motor. Precisamente ese era uno de los principales problemas de los que adolecían los primeros motores de este tipo. 

En la ilustración se puede ver que el momento 2 es mucho mayor que el momento 1. Si se compara esta diferencia se obtiene un vector que es el resultado de restar el momento 1 al momento 2. Este resultado que es (M x V) - (m x v) es la diferencia de momento y su efecto o reacción (igual en magnitud y sentido opuesto) es lo que llamamos THRUST (empuje). Simplemente la tercera Ley de Newton. 

Todas estas cosa ya las sabía Frank Whittle (y muchos otros) en los años 20, sencillamente en aquella época no estaba claro como hacer que un motor hiciera ese cambio de momento de una forma relativamente eficaz y sin que pudiera fallar en mitad del proceso. Sencillamente la técnica y los materiales no eran los adecuados. Tuvo que pasar un cierto tiempo para que estos genios pudieran ir sorteando los problemas de diseño que planteaba esta tarea. 

Una de las primeras cosas que había que hacer era precisamente comprimir el aire cuanto más mejor. Para poder lograr esto se idearon los compresores. Estos dispositivos son unos álabes o discos rotatorios que impelen el aire hacia el interior del motor haciéndolo cada vez más compacto.

Los británicos y los norteamericanos optaron por emplear compresores de tipo centrífugo, mientras que los alemanes (que ya habían probado esta idea) pensaron que la mejor forma de comprimir el aire era ir haciéndolo pasar por una serie de diferentes etapas hasta llegar a la cámara de combustión. 

¿Potencia de despegue o empuje de despegue? Uso de la terminología adecuada

Es muy importante en la propulsión a chorro usar la terminología adecuada para no llegar a confundirnos. En el lenguaje diario intercambiamos términos como empuje o potencia (igual ocurre en inglés), pero debemos ser cuidadosos en esto. Vamos a ver por qué.

Como se explica en estos apuntes, potencia (P) en física es igual a la cantidad de trabajo realizado (W) por unidad de tiempo (T), pero sabemos también que el trabajo (W) es fuerza (F) por distancia (D). Si se aplica una fuerza de 1N durante 1 metro, habremos hecho un trabajo de 1 julio. Si queremos mover un piano que pesa mucho y empleando todo nuestro esfuerzo, pero no logramos moverlo, entonces según la física no habremos efectuado trabajo alguno (aunque acabemos exhaustos). Tal como se ve arriba, la potencia (cuyas unidades de medida pueden ser vatios,  caballos, decibelios, etc.) es entonces igual a (F x D) / T, pero D/T es velocidad, así que la fórmula se puede reescribir de forma que P = F x V. 

Teniendo esto claro, ahora podemos comprender que es lo que ocurre en un despegue. En la cabecera de pista aceleramos los motores, pero el aire delante de nuestro motor tiene velocidad cero. Solo producimos reacción gracias al aire del que somos capaces de ingerir a base de revoluciones del compresor. Si estonces cierto, entonces P = F x cero, luego la potencia en el despegue es cero. Así que no debemos de usar ese término, en su lugar debemos de hablar de empuje (Thrust), cuyas unidades de medida son normalmente kN y viene represantado por un vector (con módulo, dirección y sentido). 

Los ciclos del motor

Como decíamos más arriba, los ciclos del motor a reacción y los del motor de combustión interna a pistones son parecidos en cuanto que ambos realizan las cuatro fases. La principal diferencia es la forma en la que ambos motores realizan estas operaciones. Si se echa un vistazo a las gráficas Presión - Volumen que siguen, es fácil darse cuenta de que la combustión ocurre en condiciones diferentes. En los gráficos se utiliza el eje de ordenadas para representar la presión y el ene de abscisas para representar la cantidad de volumen. El área contenida en el propio ciclo se puede tomar como el producto de ambas (P x V) y lo tanto podría ser una forma de medir el trabajo (W) realizado.

En el gráfico inferior se puede ver perfectamente que la combustión en un motor de pistones se produce efectivamente al final de la compresión, cuando el pistón se encuentra en su posición más alta, esto es, cuando el volumen es mínimo. En ese momento se dispara la chispa de la bujía (spark) para comenzar la combustión.Los ciclos reciben los nombres de los teóricos que los idearon (Bryton para la turbina de gas y Otto para el de pistones). En el ciclo de Bryton la combustión ocurre a presión constante. Así pues es un proceso isobárico. Por contra en el ciclo de Otto, la combustión ocurre a volumen constante. Es un proceso llamado isocórico. Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; Delta V = 0 . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: Delta W = P Delta V, donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema). En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

En los motores a reacción, la combustión se realiza justo cuando el aire entra en la cámara de combustión después de haber sido comprimido. Una vez que esto ocurre se le inyecta combustible y se inflama la mezcla. Inmediatamente la masa de gases sigue su camino hacia atrás para impactar en la turbina, por ello el proceso de combustión se dice que ocurre a presión constante. Es posteriormente en las etapas de la turbina cuando los gases empiezan a perder la presión. 

La presión, la velocidad y la temperatura

El motor de reacción se ha diseñado de tal forma que estos tres parámetros se mantengan controlados en todo momento. Para poder modularlos los ingenieros idearon conductos con formas divergentes/convergentes, para poder canalizar el aire que pasa a través del motor. En la ilustración que se muestra más abajo, se puede ver que el difusor de entrada es un conducto divergente (que se amplía), mientras que la tobera de salida es un conducto que se estrecha (convergente). ¿Qué sucede entonces con estos conductos?

Para poder comprimir el aire que se aspira en la entrada del motor se usa un conducto divergente para posteriormente pasar el aire a través del compresor. Los compresores pueden ser de varios tipos, los dos más generalizados son los axiales y los centrífugos. En el dibujo de abajo se muestra un compresor axial donde el aire va pasando por diversas etapas formadas por álabes que rotan (con el eje o rotor) y otros álabes fijos que están adosados a la carcas exterior (estatores).

En los compresores centrífugos el aire no pasa paralelo al eje sino que este gira 90º por medio de un rotor especial al que se le denomina "impeller" en inglés. Este tipo de compresores utilizan una salida divergente para poder aumentar más todavía la presión y reducir la velocidad del aire antes de que este entre en la cámara de combustión. Esto es lo que se puede ver en la ilustración inferior.

En los conductos divergentes la presión y la temperatura aumentan mientras que la velocidad disminuye. En los conductos convergentes la presión y la temperatura descienden mientras que la velocidad asciende.