lunes, 8 de agosto de 2016

Motores adaptativos

Las guerras no solo se ganan con potencia de fuego y prestaciones mejores que las del adversario. Las guerras también las gana la capacidad industrial y la economía. Los Estados Unidos lo saben muy bien. 

Cuando todavía se está implantando el concepto de caza de 5ª generación, el gobierno de los Estados Unidos y la industria de aquel país están empezando a definir el concepto de cazas de sexta generación. Una de las cosas que más llaman la atención en estos nuevos aviones es su planta motriz. Hasta ahora los motores de los aviones militares se habían centrado en conseguir gran capacidad de empuje (primaba la potencia y las prestaciones sobre el coste de operación). Con el tiempo, la eficiencia de los motores militares ha ido incrementándose con la adopción de varios sistemas y elementos característicos de la industria civil. Uno de estos sistemas fue la adopción del concepto By-pass (Ver post dedicado a los motores de reacción). Ahora se empieza a hablar de los motores Active-Adaptive o motores activos-adaptativos (quizás adaptable sería una palabra más adecuada), que son una evolución de este concepto.

Existe una gran diferencia entre un turbo-jet puro y un turbo-fan. Los motores turbo-reactores puros son aquellos que hacen pasar todo su flujo de aire por la parte interna del motor (por su cámara de combustión). Los motores turbo-ventiladores son aquellos que derivan parte del flujo que hacen pasar externamente. Los mores turbo-reactores se centran en la potencia y los turbo-ventiladores en la economía.

un turbo-jet a la izquierda y un turbo-fan a la derecha.
  
En el gráfico que sigue se puede ver la eficiencia que se consigue con respecto a la velocidad. Los aviones de caza actuales suelen montar turbo-reactores con bajo indice de derivación.


En esta imparable evolución de los motores se ha llegado al concepto de motor adaptativo, que se lleva estudiando desde hace ya bastantes años. Un motor adaptativo es aquel que produce dos corrientes de aire externas y una interna. El flujo de derivación se conoce en inglés como by-pass.  En estos motores se crea una tercera corriente de aire que puede ser variada y utilizada para diferentes propósitos. Cuando se requiere potencia se hace pasar casi todo el aire disponible por el interior. Cuando de lo que se trata es de economizar, se altera el flujo para pasarlo por el exterior.


La potencia no es barata. La USAF utiliza cantidades ingentes de combustible, lo que supone unos costos increíblemente altos. Por poner un ejemplo, un solo F-15 a potencia máxima consume unos 95 litros de combustible por minuto (unos 43 barriles a la hora). Mantener volando un B-52 requiere al menos el doble. El gasto de la USAF en combustible cada año es de 2,5 billones de galones (americanos), lo que representa un 84% del total de la energía consumida por la USAF. El nuevo concepto de motor adaptativo viene para compensar estos gastos sin perder prestaciones.

La fuerza aérea de los Estados Unidos ha concedido sendos contratos de investigación a los dos principales productores de motores de los Estados Unidos, General Electriçic y Pratt & Whitney. Con estos contratos, llamados AETP (Adaptive Engine Transition Program), se pretende dotar de un nuevo motor adaptativo a los cazas de sexta generación y potencialmente la remotorización del JSF F-35, que ahora mismo monta el fabuloso motor F135. La tecnología ya está ahí, pero ahora se trata de llegar a la madurez con el tipo de motor que pueda crear de forma más eficiente y segura una tercera fuente de aire de caudal variable. El paso estratégico es notable, toda vez que lo que se pretende es dotar al futuro F/A-XX de la Navy y al F-X de sexta generación de la USAF con una planta motriz capaz de proporcionar alta velocidad, gran potencia, autonomía extendida y consumo extraordinariamente bajo para el tipo de motor. En principio se trata de crear un motor en el rango de las 45.000 libras de empuje. Este tipo de motor encajaría en el compartimento del F-35A y aunque estaría haciendo pruebas en 2019, sería posible verlo instalado ya en 2020 como motor estándar. 

Motor adaptativo de GE


El tercer flujo de aire en estos motores provee una fuente extra de aire, que dependiendo de la fase de vuelo de que se trate, podría aportar una masa de aire adicional para ser empleada en una propulsión mucho más eficiente, quemando mucho menos combustible. Este flujo extra de aire en caso de necesidad podría ser redirigido también al interior del motor, pasando por la cámara de combustión y de esta forma producir más potencia y aire de sangrado para refrigeración. Se podría usar este aire para enfriar el combustible interno del avión, el cual a su vez sirve para poder refrigerar otros sistemas, como el hidráulico. Este tercer flujo de aire podría también ser empleado para ayudar a ingerir el aire extra que se crea en las entradas de los difusores de aire incrementando la estabilidad y el flujo de aire que ingiere el motor, pegándolo a la estructura de forma laminar. Esto a la vez reduciría la resistencia al avance creada por las turbulencias en estas áreas. 

En el interior del motor adaptativo existen elementos de geometría variable que alteran de forma dinámica la relación de compresión del fan o ventilador de entrada, así como también la relación de compresión total que es la que pasa por el "core" o interior del motor. Esto es algo fundamental, ya que estos parámetros son los que más influyen en el consumo específico y en el empuje de un motor a reacción. La relación de compresión del fan se puede cambiar utilizando un fan multi-etapa de geometría variable o adaptativo. Esto daría lugar a incrementar la relación de compresión (engine pressure ratio) en los despegues y en maniobras de combate, produciendo más empuje y aceleración. Por otra parte, en fases de crucero, el avión podría reducir los valores para conseguir consumos de combustible comparables a los motores civiles más económicos. 

el tercer flujo de aire que es externo a los dos flujos principales (core o el que pasa por la cámara de combustión y el by-pass o el que pasa por fuera de la cámara de combustión), se usa para alterar la relación de compresión antes descrita.

Mientras que el programa AETD se centra en lograr esta característica, el programa ADAPT (Air Dominance Adaptive Propulsion Technology) se centra en conseguir algo parecido pero esta vez dentro del propio compresor de alta del motor, además de integrar el flujo interno de la cámara de combustión con las operaciones de geometría variable del motor en toda su envolvente operacional. Con este sistema se lograría una reducción del 5% en régimen de crucero y aún así podríamos disponer de unas prestaciones superiores a la hora de entrar en combate. El programa se enfrenta con grandes problemas, como pueden ser las grandes presiones y temperaturas dentro del motor, pero no es la primera vez que la industria se enfrenta a estos problemas. Ya ocurrió con el Pratt & Whitney J-58 Turbo-ram jet que montaban los SR-71 y los A-12

Un hito tecnológico sólo alcanzable en algunas potencias industriales. 

Algunas de las ventajas de este tipo de motores:


  • 25% más eficientes en cuanto a consumo de combustible 
  • 25% al 30% de incremento en el radio de acción
  • 30% al 74% en reducción de gastos de reabastecimiento
  • 30% de incremento en el alcance a posibles blancos
  • 50% de incremento de tiempo de patrulla en régimen de super-crucero 



Los motores de combate más poderosos de la Actualidad


Pratt & Whitney F135 - 43,000lb (191.3kN)

El F135, es el sucesor del turbo-fan Pratt & Whitney F119-PW-100. Se produce en dos modelos que están en funcionamiento con las variantes del caza F-35 Lightning II, despegue y aterrizaje convencional (CTOL), la variante de portaaviones (CV) y la de despegue corto y aterrizaje vertical (STOVL).

La variante F135 CTOL/CV desarrolla un empuje máximo de 43,000lb (191.3kN) mientras que la versión STOL genera 41,000lb (182.4kN). Este motor a reacción tiene el récord mundial Guinness por ser el más potente instalado a bordo de un avión de combate.

Pratt & Whitney F119-PW-100 - 35,000lb (156kN)

El F119-PW-100, fue el primer motor de combate de quinta generación del mundo, equipa al Raptor F-22 y le permite alcanzar una velocidad supersónica sin postcombustión.

El F119 fue seleccionado como el motor preferido para equipar al F-22 Raptor en abril de 1991 y el primer motor de producción fue entregado en diciembre de 2000.

GE F110-GE-132 - 32,500lb (144.5kN)

El motor turbofan F110-GE-132, es un modelo de gran empuje dentro de la familia de motores de aviones de combate de la casa General Electric, cuenta con un mínimo de piezas giratorias y un aumentador avanzado que mejora su capacidad de mantenimiento y reduce los costos del ciclo de vida.

Tiene 4,6 m de longitud y 1,2 m de diámetro, y es totalmente compatible con los cazas F-16C/D y F-15E. También está certificado para el uso en el F-16E/F, que es la nueva variante del avión F-16.

Saturno- Lyulka 117S - 31,967lb (142kN)

Los 117S (AL-41F1S) son motor turbofan con postcombustión que en realidad son una actualización con más empuje del AL-31FP. Está equipado con un compresor de baja presión mejorado, una turbina de alta eficiencia y un nuevo sistema de control digital del motor.

Con una carcasa nueva, se ha utilizado para volver a re-motorizar al Sukhoi-27/30 ya en servicio con las fuerzas aéreas rusas y otras extranjeras. También sirve para propulsar al Sukhoi-35, una versión moderna del caza Sukhoi-27.

Saturn AL-31FN Serie 3 - 30,800lb (137kN)

Saturno AL-31F (42 series) M1 - 29,762lb (132kN)

El motor AL-31F serie 42 (M1) de dos ejes  es un motor de producción en masa basado en el AL-31F, pero modificado para proporcionar características mejoradas en empuje y mantenimiento.

Este motor se monta en los Su-27SM y fue probado en vuelo en 2006. La modificación fue aprobada por el Ministerio de Defensa de Rusia en 2007. Este modelo incorpora un compresor de baja presión modernizado y un sistema de salida de gases con deflexión. Puede ser montado en el Su-27, Su-27SM, Su-33 y Su-34.

GE F110-GE-129 - 29,500lb (131kN)

El motor F110-GE-129 de GE se basa en el F110-GE-100, que es hoy en día el motor más seguro (en aviones equipados con un solo motor) de la Fuerza Aérea. Tiene un alto rendimiento y goza de una gran seguridad al mismo tiempo que disfruta de unos reducidos costos de operación.

Pratt & Whitney F100-PW-229 - 29,160lb (129.7kN)

Es un derivado del F100-PW-220, que es considerado como el más seguro de los motores a reacción de alto rendimiento. Con el aumento de rendimiento del motor, el F100-PW-229 (IPE) fabricado por Pratt & Whitney se ha convertido en el motor de avión de combate avanzado más utilizado en todo el mundo.

Saturno AL-31F / AL-31FN - 27,998lb (124.5kN)

AL-31FN, un turborreactor de doble eje desarrollado por OAO NPO Saturn, es una versión modificada de la familia AL-31F, que también sirve como una plataforma de base para la variante del motor AL-31FP capaz de propulsar a los cazas Su-30MKM Su-30MKI.

El motor AL-31FN tiene un peso de 1,538kg y está equipado con conductos internos y externos con poscombustión y chorro totalmente variable. Se monta en el J-10 que está en servicio con la Fuerza Aérea de la república popular China.

GE F414 mejorado - 26,000lb (116kN)

El motor F414 mejorado de GE Aviation incorpora los avances técnicos de la familia de motores F414. Dispone de un 18% más de empuje que sus predecesores.

El motor está en servicio con F/A-18E/F Super Hornet de la US Navy y la flota de EA-18G. Las características de funcionamiento del motor F414 mejorado se obtienen gracias al control digital electrónico de pleno dominio (FADEC), mientras que los materiales avanzados y las bajas temperaturas de funcionamiento mejoran su rendimiento y vida útil.

2 comentarios:

  1. Manolo:

    Súper-interesante, as usual. Poco podría añadirse, bueno, si acaso, y con tu venia, una nota histórica y otra actual, que se deducen claramente de tu exposición. La histórica: ceñidos al selecto club de países que han sido capaces de fabricar aviones supersónicos de combate, casi se puede afirmar que la aerodinámica es la parte más "fácil", dejando aparte las grandes potencias industriales, países pequeños como Suecia han sido capaces de diseñar aviones muy notables ;o incluso España fue capaz- con todos los matices (Messerschmidt y su troupe)- caso del HA-300. Pero surge el valladar insalvable, la propulsión, pues sólo los grandes son capaces de diseñar y fabricar motores adecuados, y a ellos hay que acudir si quieres propulsar al bicho. Y la nota actual, que no deja de ser una continuación de la anterior: los problemas gordos de los que intentan fabricar aviones de 4ª y 5ª generación, incluso con tecnología stealth, no vienen tanto de la célula como de la planta propulsora (J-20 chino con AL-31, o el propio T-50 al que le estalla el motor...). Además, del elenco de motores que expones, se ve que en el campo de la propulsión de altas prestaciones el campo de fabricantes es aún más patente el predominio de unos pocos (GE, P&W y...poco más)
    Un saludo cordial.
    Pablo.

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    1. Muchas gracias Pablo,
      Como siempre muy acertado tu análisis. Habrá que hablar algún día del HA-300 y del proyecto Islero de bomba atómica que tenía España... para que luego pensemos que aquí no se diseñaba nada.
      Un cordial saludo
      Manolo

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