Motor de reacción para niños
Un motor de reacción o jet es un tipo de motor que expulsa un chorro de gas a gran velocidad para generar un empuje, siguiendo las leyes de la física. Esta categoría incluye varios tipos, como los turborreactores (que a su vez incluyen los turbofanes), los motores cohete, los estatorreactores y los pulsorreactores. Es importante saber que el término turborreactor no se usa para todas las turbinas de gas, sino solo para aquellas que producen empuje a partir de un chorro de gases. Por ejemplo, los motores turbohélice y turboeje son motores de turbina de gas, pero no son turborreactores.
Contenido
¿Qué es un Motor de Reacción?
Un motor de reacción funciona expulsando un chorro de fluido (generalmente gases) a alta velocidad. Esto crea una fuerza que empuja el motor en la dirección opuesta, similar a cuando sueltas un globo inflado y el aire que sale lo impulsa. Esta fuerza se llama empuje.
Un Viaje por la Historia de los Motores a Chorro
La idea de la propulsión a chorro es muy antigua, ¡más de 2000 años!
Los Primeros Pasos: Desde la Antigüedad hasta los Cohetes
La historia de los motores de reacción se remonta al siglo I después de Cristo, cuando Herón de Alejandría inventó la eolípila. Este aparato usaba el poder del vapor que salía por dos boquillas, haciendo que una esfera girara rápidamente. Aunque era una curiosidad, no se usó para trabajos prácticos porque era muy poco eficiente.
La propulsión a chorro moderna comenzó con la invención del cohete por los chinos en el siglo XI. Al principio, los cohetes se usaban para fuegos artificiales, y luego para algunas armas. Sin embargo, su tecnología no avanzó mucho durante siglos.
La Necesidad de Algo Nuevo: Más Allá de las Hélices
En la década de 1930, los motores de pistones con hélices eran los únicos que impulsaban los aviones. Pero los ingenieros se dieron cuenta de que estos motores tenían un límite de velocidad, especialmente porque las puntas de las hélices se acercaban a la velocidad del sonido. Para que los aviones volaran más rápido, se necesitaba una forma completamente nueva de propulsión. Así nació la idea del motor de reacción moderno.
Los primeros intentos de motores a reacción fueron diseños combinados. Por ejemplo, el aire se comprimía con una hélice movida por un motor de pistones, luego se mezclaba con combustible y se quemaba para crear empuje. Estos motores, como el Caproni Campini N.1, no eran muy eficientes y a veces eran más lentos que los aviones con hélices.
Los Pioneros del Motor a Reacción Moderno
La clave para un motor de reacción útil fue la turbina de gas, que usa parte de la energía del motor para comprimir el aire. La idea de la turbina de gas no era nueva; la primera patente se dio en Inglaterra en 1791. La primera turbina de gas que funcionó por sí misma fue construida en 1903 por el ingeniero noruego Ægidius Elling.
En 1929, Frank Whittle, un aprendiz en Inglaterra, presentó sus ideas para un turborreactor y obtuvo su primera patente en 1932. En 1935, Hans von Ohain en Alemania empezó a trabajar en un diseño similar, sin saber del trabajo de Whittle. Ese mismo año, en España, el ingeniero militar Virgilio Leret también patentó un proyecto de motor a reacción.
Whittle tuvo su primer motor listo en abril de 1937. El motor de Von Ohain, que usaba gas a presión externa, empezó a funcionar en septiembre de 1937. Ohain contactó con Ernst Heinkel, un importante fabricante de aviones, quien vio el potencial del nuevo diseño. El motor de Ohain, el HeS 3, impulsó el Heinkel He 178, que realizó el primer vuelo de un avión de reacción el 27 de agosto de 1939.
En 1941, una versión del motor de Whittle, el W.1, se usó en el avión Gloster E28/39, que voló por primera vez el 15 de mayo de 1941.
Un desafío en los primeros diseños, llamados motores de flujo centrífugo, era que el compresor lanzaba el aire desde el centro hacia los lados del motor. Esto requería que el compresor fuera muy grande para producir la potencia necesaria.
El ingeniero austriaco Anselm Franz de Junkers solucionó esto con el compresor de flujo axial. En este diseño, el aire entra por el frente y es empujado hacia atrás por varias etapas de hélices. Aunque era más complejo, el motor era mucho más pequeño en diámetro. El resultado fue el Junkers Jumo 004, que se produjo en serie en 1944 para el primer caza a reacción, el Messerschmitt Me 262. Después de la Segunda Guerra Mundial, la tecnología de este motor influyó en los primeros cazas a reacción de Estados Unidos y la Unión Soviética.
Los motores de flujo centrífugo también han mejorado. Ahora, con mejor tecnología, pueden girar más rápido, lo que reduce la necesidad de un diámetro tan grande. Además, son más resistentes a daños por objetos externos.
Tipos de Motores de Reacción: ¿Cuáles Existen?
Hay muchos tipos de motores de reacción, pero todos funcionan expulsando fluidos a alta velocidad para moverse.
| Tipo | Descripción | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|
| Motor de agua | Lanza un chorro de agua detrás de un barco. | Puede funcionar bajo el agua, es potente y menos dañino para el medio ambiente. | Puede ser menos eficiente que una hélice, más vulnerable a la basura en el agua. |
| Termorreactor | Un motor de reacción muy antiguo. Básicamente, un motor de pistones que impulsa un compresor con sus gases de escape. | Pesado, poco eficiente y con poca potencia. | |
| Turborreactor | Es el término general para un motor de turbina sencillo. | Diseño simple, eficiente a velocidades muy altas (como Mach 2). | Diseño básico, no mejora mucho su rendimiento a velocidades bajas, es bastante ruidoso. |
| Turbofán / Turboventilador | La primera parte del compresor es muy grande y envía aire alrededor del motor principal. | Más silencioso por mover más aire a menor velocidad, más eficiente a velocidades medias, los gases de salida son menos calientes. | Más complejo, el motor es más grande, necesita proteger las aspas grandes. Es el tipo de motor más común en aviones de pasajeros y militares hoy en día. |
| Propfan | Un motor que mueve una o más hélices. Es parecido a un turbofán. | Usa el combustible de forma muy eficiente, podría ser menos ruidoso, permite vuelos comerciales a alta velocidad. | Su desarrollo ha sido limitado, generalmente más ruidoso que los turbofanes, complejo. |
| Estatorreactor (ramjet en inglés) | El aire de entrada se comprime solo por la velocidad del avión y la forma del motor. | Muy pocas partes móviles, alcanza velocidades de Mach 0.8 a 5 o más, eficiente a alta velocidad (Mach 2.0 o más), es el motor de reacción más ligero para su empuje a velocidades óptimas. | Necesita una velocidad inicial alta para funcionar, poco eficiente a velocidades bajas, ruidoso. |
| Scramjet | Similar a un estatorreactor, pero el aire se mantiene a velocidades supersónicas dentro de todo el motor. | Pocas partes mecánicas, puede operar a velocidades muy altas (Mach 8 a 15) con buena eficiencia. | Todavía en desarrollo, necesita una velocidad inicial muy alta (Mach 6 o más) para funcionar, problemas de enfriamiento. |
| Pulsorreactor | El aire se comprime y quema de forma intermitente, no continua. | Diseño muy simple, usado a menudo en aeromodelismo. | Ruidoso, poco eficiente, no funciona bien en motores grandes. |
| Motor de detonación por pulsos | Similar al pulsorreactor, pero la combustión ocurre como una explosión controlada. | Máxima eficiencia teórica del motor. | Muy ruidoso, las partes sufren mucho desgaste, difícil de iniciar la explosión, no es práctico para uso actual. |
| Motor cohete | Lleva todo su propio combustible y oxidante, expulsa un chorro para propulsarse. | Muy pocas partes móviles, alcanza velocidades de Mach 0 a 25 o más, eficiente a velocidades muy altas (Mach 10 o más), funciona en el vacío. | Necesita mucho combustible, muy ruidoso. |
| Cohete aumentado de aire | Es un estatorreactor donde el aire de entrada se comprime y se quema con los gases de un cohete. | Alcanza velocidades de Mach 0 a 4.5 o más (también puede usarse fuera de la atmósfera), buena eficiencia entre Mach 2 y 4. | Eficiencia similar a los cohetes a baja velocidad o fuera de la atmósfera, problemas con la entrada de aire, poco desarrollado, ruidoso. |
| Turbocohete | Un turborreactor al que se le añade un oxidante extra, como oxígeno, para volar más alto. | Muy parecido a diseños existentes, funciona a altitudes muy elevadas, amplio rango de velocidades y altitudes. | La velocidad está limitada al mismo rango que el turborreactor, transportar el oxidante (como oxígeno líquido) puede ser complicado. |
| Reactores pre-enfriados / LACE | El aire de entrada se enfría mucho antes de pasar por un estatorreactor o turborreactor. | Fácil de probar en tierra. Pueden tener un empuje muy alto y buena eficiencia de combustible en un amplio rango de velocidades, pueden alcanzar velocidades de Mach 0 a 5.5 o más. | Solo existen como prototipos de laboratorio. Algunos ejemplos son RB545, SABRE, ATREX. |
¿Cómo Funcionan los Motores de Reacción?
El impulso de un motor es igual a la masa de aire que expulsa multiplicada por la velocidad a la que la expulsa.
| Símbolo | Nombre |
|---|---|
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Impulso de movimiento |
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Masa de aire |
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Velocidad de expulsión |
Un avión vuela más rápido si expulsa el aire a mayor velocidad o si expulsa más cantidad de aire por segundo a la misma velocidad. Sin embargo, cuando el avión se mueve, el aire que entra al motor crea una resistencia.
La mayoría de los motores de reacción tienen una entrada de aire que les proporciona el gas que luego expulsarán. Los motores cohete, en cambio, no tienen entrada de aire; llevan consigo tanto el combustible como el oxidante. Por eso, los motores cohete no tienen esta resistencia de entrada de aire, y su empuje es directo.
Un motor de reacción con entrada de aire solo es útil si la velocidad del gas que sale del motor es mayor que la velocidad del avión. El empuje neto del motor es la diferencia entre la velocidad de salida del gas y la velocidad del avión.
Los turbopropulsores tienen una hélice grande que mueve una gran cantidad de aire, pero están limitados a la velocidad de los aviones de hélice. Cuando el avión va demasiado rápido, las hélices ya no empujan.
Los turborreactores y motores similares aceleran una cantidad menor de aire, pero lo expulsan a velocidades mucho más altas usando una tobera especial. Por eso pueden volar a velocidades muy altas, incluso más rápido que el sonido.
Además, la eficiencia de un motor es mayor cuando expulsa la mayor cantidad de aire posible a una velocidad similar a la del avión.
Los turbofánes mezclan dos flujos de aire, uno rápido y otro más lento. Son eficientes a velocidades medias, más lentas que los reactores puros, pero más rápidas que los motores de hélice. Por ejemplo, a 10 km de altura, un turbohélice es más eficiente a Mach 0.4, un turbofán a Mach 0.75, y los reactores puros cerca de Mach 1 (la velocidad del sonido).
Los motores cohete son mejores para altas velocidades y altitudes. A medida que un cohete sube, su eficiencia y empuje mejoran ligeramente, mientras que el empuje de un turborreactor o turbofán disminuye porque hay menos aire para tomar.
Componentes Principales de un Motor de Reacción
Los motores de reacción tienen partes similares, aunque no todos los tipos las tienen todas:
- Entrada o toma de aire: En aviones que vuelan por debajo de la velocidad del sonido, es una abertura simple. En aviones supersónicos, la entrada de aire debe reducir la velocidad del aire a menos de la del sonido antes de que llegue al compresor.
- Compresor o ventilador: Está hecho de varias etapas con aspas que giran y otras fijas. El aire pasa por aquí, aumentando su presión y temperatura. La energía para mover el compresor viene de la turbina.
- Eje: Transmite la energía de la turbina al compresor. Puede haber varios ejes que giran a diferentes velocidades.
- Cámara de combustión: Aquí es donde el combustible se quema continuamente con el aire comprimido.
- Turbina: Funciona como un molino de viento, extrayendo energía de los gases calientes de la cámara de combustión. Esta energía se usa para mover el compresor, los ventiladores o las hélices.
- Postcombustor: Usado principalmente en aviones militares, quema combustible extra en la zona de la tobera para aumentar el empuje, aunque de forma menos eficiente.
- Tobera o salida: Los gases calientes salen del motor hacia la atmósfera a través de esta parte, que acelera los gases para producir empuje.
- Tobera supersónica: Si la presión de los gases es muy alta, se usa una tobera especial (convergente-divergente) para maximizar el empuje.
El diseño de un motor se optimiza considerando muchos factores, como la forma de la entrada de aire, el tamaño, el número de etapas del compresor, el tipo de combustible y los materiales.
Diseños Avanzados de Motores de Reacción
Existen diseños muy innovadores que buscan mejorar aún más el rendimiento de los motores de reacción.
Turborreactor/Estatorreactor Combinado J-58
Los motores Pratt & Whitney J58 del avión SR-71 eran especiales porque podían cambiar su funcionamiento en pleno vuelo. A velocidades muy altas (más de Mach 2.4), el motor usaba su entrada de aire para desviar el exceso de aire hacia el postquemador. Esto aumentaba mucho el empuje y permitía al avión volar continuamente a Mach 3.2.
Turborreactores Prerrefrigerados
Los motores diseñados para volar a velocidades muy altas podrían ser más eficientes si el aire de entrada se enfriara mucho antes de entrar al motor. Las bajas temperaturas permiten usar materiales más ligeros y añadir más combustible. Esta idea ha llevado a diseños como SABRE y ATREX, que podrían permitir vuelos espaciales en una sola etapa o viajes intercontinentales muy rápidos.
Estatorreactor de Energía Nuclear
El Proyecto Pluto fue un diseño de estatorreactor que usaba un reactor de alta temperatura para calentar el aire, en lugar de quemar combustible. Esto permitiría al estatorreactor volar durante meses a velocidades supersónicas. Sin embargo, un gran desafío era cómo detener el motor una vez que se ponía en marcha.
Scramjets
Los scramjets son una evolución de los estatorreactores que pueden funcionar a velocidades aún mayores. Comparten una estructura similar a un tubo que comprime el aire sin partes móviles. La diferencia es que en los scramjets, el aire se mantiene a velocidades supersónicas en todo el motor. Los scramjets empiezan a funcionar a velocidades de Mach 4 y teóricamente podrían alcanzar Mach 17. Uno de sus mayores desafíos es la refrigeración debido al calor extremo a esas velocidades.
Véase también
En inglés: Jet engine Facts for Kids
