Aviones a Reacción

¿Qué es un avión a reacción?

Un avión de reacción o avión a reacción, a veces llamado avión jet (del inglés jet aircraft), es un avión propulsado por motores de reacción. Los aviones a reacción fueron un salto en la aviación, tanto comercial como militar, por las grandes ventajas en prestaciones como en maniobrabilidad que permite; no tanto en consumo por lo que a principios del siglo XXI había perdido algo de terreno sobre las aeronaves de turbohélices.
La aviación de reacción supuso una revolución en la aeronáutica tan grande como la invención del propio avión al permitir vuelos de mayor altitud y, por tanto, mayor autonomía, abrir la puerta a la aviación supersónica e hipersónica, permitían aumentar la potencia con el aumento de la velocidad, desarrollar las rutas intercontinentales sin escalas o una nueva generación de cazas, entre otras.

¿Qué es un motor a reacción?

Un motor de reacción, reactor o jet (del inglés jet engine), es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje de acuerdo a la tercera ley de Newton. Esta definición generalizada del motor a reacción incluye turborreactores, turbofans, cohetes, estatorreactores y motores de agua pero, en su uso común, el término se refiere generalmente a una turbina de gas utilizada para producir un chorro de gases para propósitos de propulsión.

¿Por qué vuela el avión?

Existen numerosos testimonios del interés del hombre por imitar el vuelo de los pájaros, desde tiempos remotos. Para no extendernos en demasía, obviaremos el detalle de los distintos intentos que para volar realizará a través de los siglos, solamente, y a manera de ejemplo, podemos citar a Leonardo Da Vinci, quien en el siglo XV diseñó un helicóptero, demostrando una extraordinaria comprensión de los principios del vuelo, los mismos que hoy posibilitan la utilización de esas aeronaves. Pero fue Daniel Bernoulli (1700-1782) quien, experimentando con el flujo de los líquidos a través de tubos de variadas formas estableció el siguiente enunciado: "Si en un tubo determinado, la velocidad del fluido que lo recorre es incrementada en algún punto, la presión se reducirá en ese punto”.

Este enunciado explica por sí solo la teoría de la sustentación, y bien puede decirse que es la teoría fundamental del vuelo. Toda aeronave de alas fijas tiene éstas diseñadas de forma tal que el flujo de aire se incremente en su parte superior, provocando la sustentación (una fuerza hacia arriba)


Esta teoría explica también la sustentación a diferentes velocidades. Observando la figura anterior se comprueba, que el aire que pasa por la parte superior del ala, efectúa un recorrido más largo que el que lo hace por la parte inferior, y por lo tanto, aquél deberá moverse a mayor velocidad que éste, a fin de reunirse ambos a la salida, obteniendo como resultado, una zona de baja presión en la parte superior del ala, de acuerdo a la teoría de Bernoulli.

¿Por qué fue necesaria la creación de los aviones a reacción?

El aire, a bajas velocidades, podemos considerarlo incompresible. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, y aproximadamente a mach 0.5 (la mitad de la velocidad del sonido), empiezan a aparecer fenómenos “de compresibilidad”, y ya no podemos considerar el aire como un fluido de densidad constante.
Al ir aumentando la velocidad, llegaremos a lo que se conoce como Mach crítico. No es necesario volar a velocidad supersónica para que exista aire, en alguna parte en torno al aparato, circulando a la velocidad del sonido. El Mach crítico se define como el mach de vuelo (la velocidad de vuelo del avión dividida por la velocidad del sonido en la región en la que se encuentra volando el avión), en el que en algún punto de los alrededores del avión existe aire en régimen sónico. Esto causa la aparición de ondas de choque, que a su vez causan un aumento importante de la resistencia aerodinámica, y que la sustentación también caiga.
En la mecánica de fluidos, una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, que a través de diversos fenómenos produce diferencias de presión extremas y aumento de la temperatura. La onda de presión se desplaza como una onda de frente por el medio. Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones.
Bien, si este fenómeno aparece sobre el ala, es de imaginar que aparecerá mucho antes sobre la hélice de los aviones que la poseen, pues además de llevar la velocidad de vuelo del aparato, tiene la suya propia por encontrarse girando. La composición de velocidades, hace que la velocidad de los elementos de la hélice sea mucho mayor que la de vuelo del avión. Así pues, si aparece el fenómeno del Mach crítico en la hélice, al aumentar la resistencia, aumenta la potencia necesaria para moverla, y por otro lado al disminuir la sustentación de cada elemento de pala de la hélice (imaginaros la pala de la hélice cortada en rebanadas muy finas), la hélice proporciona menos tracción, y deja de ser eficiente.
Después de esto se puede comprender que los aviones equipados por hélice están limitados en su velocidad máxima precisamente por el propulsor. Así se explica que los aviones convencionales más rápidos no pasaran de unos 700 km/h, y que uno de los aviones más rápido en su momento: el caza experimental XP-47J se quedara en los 813 km/h. Así pues, ¿qué ocurre si se quiere volar más rápido? Entonces necesitaremos otro sistema moto-propulsor.

¿Cómo funciona un motor a reacción?

La idea de la propulsión a chorro no es nueva. Si nos remontamos a la época de Herón de Alejandría, encontraremos que él hizo una máquina propulsada por gases saliendo a altas velocidades escapando por unos caños como se puede ver en la imagen a continuación. Si expulsamos un gas a alta velocidad en un sentido, nuestro vehículo se desplazará en el contrario.




El motor a reacción se vale de un combustible que es quemado, es decir, oxidado. El oxidante, puede ser el oxígeno procedente de la atmósfera, o bien puede ser proveniente de tanques especiales. Dentro de estos primeros encontramos el estato-reactor, el pulso-reactor, el turbo-reactor, el turbo-fan, los turbo-hélices y turbo-ejes. Los segundos, los componen los motores cohete. Sin embargo, en este trabajo, solo explicaremos los siguientes reactores: estato-reactor (el más simple de todos) y el turborreactor (una versión simplificada de los motores usados en los aviones a reacción), ya que los demás motores solamente contienen mejorías sobre estos (sin incluir el motor cohete, cuyo funcionamiento es levemente diferente al resto).

Estrato-reactor

Es el tipo de motor a reacción más simple de todos. Consiste en una tubería hueca. Según sea para vuelo subsónico o supersónico será como se muestra en la imagen a continuación.



Está compuesto de tres partes: la entrada es el difusor, que hace que baje la velocidad del aire e incremente su presión. En la parte central se encuentra la cámara de combustión, donde este aire a alta presión se mezcla con el combustible y donde se produce el encendido de la mezcla. La última parte es la tobera, en la que los gases pierden presión y ganan velocidad. Para que este motor funcione, el vehículo debe encontrarse ya en movimiento, así que suelen ser aviones lanzados desde otros aviones, o bien misiles. Este motor no tiene utilidad casi fuera del mercado militar o aviones de investigación.

Turborreactor

Al comienzo de emplear los motores a reacción, los más empleados fueron los turborreactores, reemplazados finalmente por los turbofanes, por ser éstos últimos motores de menor consumo, para un mismo empuje. El funcionamiento es similar al estato-reactor, pero con algunos elementos diferenciadores. Además de un difusor, cuentan con un compresor mecánico, que puede ser bien de tipo axial o centrífugo. Los axiales, son los más utilizados hoy en día. Consisten en una serie de “anillos” de álabes o palas, unos móviles y otros fijos, intercalados, que forman el compresor, girando los móviles solidariamente. Cada par de “anillos” fijo y móvil forma un escalón del compresor. Unos serán álabes de estator y otros de rotor. En ocasiones existe más de un compresor, siendo denominado el más próximo a la entrada de gases “de baja” (presión) y el más cercano a la cámara de combustión “de alta” presión. En un compresor axial de 15 escalones podemos aumentar la presión 24 veces.
Una vez comprimido el aire, se le hace pasar a la cámara de combustión, que a su vez puede ser de diversos tipos. En la cámara de combustión se mezcla el aire comprimido con el combustible pulverizado y se quema. Cuanto mayor fuera la temperatura alcanzada, mayor sería el rendimiento y la potencia del turborreactor. Sin embargo, esta temperatura está limitada (1100ºC máximo, aproximadamente) por los materiales que usamos en construir la cámara, y los elementos posteriores que han de atravesar los gases a alta velocidad y temperatura, evitando así que se fundan o que se alteren sus propiedades físicas y químicas.
A continuación los gases atraviesan la turbina, de composición similar al compresor, compuesta también de escalones, álabes de estator y de rotor. El movimiento de rotación que le imprimen los gases es el que arrastra y permite que funcione el compresor.
Finalmente, los gases pasan por la tobera de escape, que tiene la función contraria al difusor. En la tobera, los gases intercambian presión por velocidad, siendo acelerados. Las toberas suelen estar adaptadas, siendo la presión de salida igual a la atmosférica, entre otras cosas, hace que la expulsión de gases sea más silenciosa (si se formara una onda de choque a la salida, el ruido sería mayor).
Puesto que el compresor es arrancado por la turbina, estos tipos de motores han de ser arrancados con una Unidad Auxiliar de Potencia (APU) que iniciará el giro del compresor.
Cuanto mayor es la densidad del aire quemado, mayor es la potencia dada. Así pues, en días de calor, en los que el aire es menos denso, la potencia sería menor. Eso mismo ocurre también con la altitud. A mayor altitud, menor densidad de aire. Así pues el techo operativo del avión viene marcado por su motor.
Como sistemas de aumento de potencia, podríamos mencionar la inyección de agua en la cámara de combustión (aumenta la densidad) o el sistema militar de aumento de potencia por excelencia: el post quemador. Este “cacharro” no es más que un dispositivo para quemar combustible en el aire que sale de la turbina, aumentando el empuje de una forma considerable... pero triplicando el consumo. Por tanto el post quemador se utiliza exclusivamente en situaciones puntuales (pistas cortas de despegue, despegues de urgencia y desde portaaviones, combate, etc).

¿Qué ventajas trajo el avión a reacción?

Durante los años 30 un ingeniero alemán, Hans von Ohain, y un ingeniero inglés, Frank Whittle intentaban diseñar un nuevo tipo de motor, cadda uno por separado. Hacia 1938, Hans von Ohain y su mecánico Max Hahn ya habían diseñado, construido y realizado pruebas de vuelo de un avión de propulsión a chorro. Su diseña incluía un compresor (cierto tipo de rotor) y una turbina en el mismo eje. El diseño de Frank Whittle también incluióa un rotor o hélice interna accionada por una turbina con un combustor (ver definiciones en la siguiente sección). Su avión de propulsión a chorro voló con éxito en 1941. Así, ambas naciones, Inglaterra y Alemania, dieron inicio a la era del avión de propulsión a chorro.
Desde entonces, se han realizado muchas mejoras y variaciones de los diseños del motor de reacción. Además, motores de propulsión a chorro más livianos y eficientes han hecho posible la fabricación de aviones más grandes y más rápidos. En menos de 100 años, los aviones han ido desde el primer avión de los hermanos de Wright y de su primer vuelo de 12 segundos y 120 pies hasta los aviones supersónicos que son capaces de volar alrededor del mundo en unas cuantas horas. Todo esto se hizo posible ¡gracias a la invención del motor de reacción!

Bibliografía

•http://historiantes.blogspot.com/2007/03/la-mquina-de-vapor-revisar.html
•http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli
•http://es.wikipedia.org/wiki/Avion_a_reaccion
•http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_a_reaccion
•http://www.oni.escuelas.edu.ar/2003/buenos_aires/62/tecnolog/porque.htm
•http://www.sandglasspatrol.com/IIGM-12oclockhigh/Motores%20a%20Reaccion.htm
•http://wings.avkids.com/Libro/Propulsion/advanced/history-01.html

Cito las fuentes bibliográficas para que nadie después se queje que hago plagio.
Espero que les sirva.