Motor de detonación por pulsos - Pulse detonation engine

Un motor de detonación por pulsos ( PDE ) es un tipo de sistema de propulsión que utiliza ondas de detonación para quemar la mezcla de combustible y oxidante . El motor se pulsa porque la mezcla debe renovarse en la cámara de combustión entre cada onda de detonación y la siguiente. En teoría, un PDE puede operar desde subsónico hasta una velocidad de vuelo hipersónica de aproximadamente Mach 5. Un diseño de PDE ideal puede tener una eficiencia termodinámica más alta que otros diseños como turborreactores y turbofán porque una onda de detonación comprime rápidamente la mezcla y agrega calor a un volumen constante. . En consecuencia, las partes móviles como los carretes de los compresores no son necesariamente necesarias en el motor, lo que podría reducir significativamente el peso y el costo general. Las PDE se han considerado para la propulsión desde 1940. Los aspectos clave para un mayor desarrollo incluyen la mezcla rápida y eficiente del combustible y el oxidante, la prevención de la autoignición y la integración con una entrada y una boquilla.

Hasta la fecha, no se ha puesto en producción ningún PDE práctico, pero se han construido varios motores de banco de pruebas y uno se integró con éxito en un avión de demostración de baja velocidad que voló en vuelo sostenido con PDE en 2008. En junio de 2008, los Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa Agencia (DARPA) dio a conocer Blackswift , que tenía la intención de utilizar esta tecnología para alcanzar velocidades de hasta Mach 6. Sin embargo, el proyecto se informó cancelado poco después, en octubre de 2008.

Concepto

Chorros de pulso

Artículo principal: Pulsejet

El funcionamiento básico del PDE es similar al del motor a reacción de impulsos . En el chorro de pulsos, el aire se mezcla con el combustible para crear una mezcla inflamable que luego se enciende en una cámara abierta. La combustión resultante aumenta enormemente la presión de la mezcla a aproximadamente 100 atmósferas (10 MPa), que luego se expande a través de una boquilla para empujar.

Para asegurar que la mezcla salga por la parte trasera, empujando así la aeronave hacia adelante, se utilizan una serie de persianas para cerrar la parte delantera del motor. El ajuste cuidadoso de la entrada asegura que las persianas se cierren en el momento adecuado para forzar al aire a viajar en una sola dirección a través del motor. Algunos diseños de chorro de pulso usaban una cavidad resonante sintonizada para proporcionar la acción de la válvula a través del flujo de aire en el sistema. Estos diseños normalmente se ven como un tubo en forma de U, abierto en ambos extremos.

En cualquier sistema, el chorro de impulsos tiene problemas durante el proceso de combustión. A medida que el combustible se quema y se expande para crear empuje, también empuja cualquier carga restante sin quemar hacia atrás, fuera de la boquilla. En muchos casos, parte de la carga se expulsa antes de quemarse, lo que provoca el famoso rastro de llamas que se ve en la bomba voladora V-1 y otros chorros de pulso. Incluso dentro del motor, el volumen de la mezcla cambia constantemente, lo que convierte de manera ineficiente el combustible en energía utilizable.

PDE

Todos los motores a reacción normales y la mayoría de los motores de cohetes funcionan con la deflagración del combustible, es decir, la combustión rápida pero subsónica del combustible . El motor de detonación por pulsos es un concepto actualmente en desarrollo activo para crear un motor a reacción que funciona con la detonación supersónica de combustible. Debido a que la combustión tiene lugar tan rápidamente, la carga (mezcla de aire / combustible) no tiene tiempo de expandirse durante este proceso, por lo que tiene lugar a un volumen casi constante . La combustión de volumen constante es más eficiente que los diseños de ciclo abierto como las turbinas de gas , lo que conduce a una mayor eficiencia de combustible .

Como el proceso de combustión es tan rápido, las contraventanas mecánicas son difíciles de arreglar con el rendimiento requerido. En cambio, las PDE generalmente usan una serie de válvulas para cronometrar el proceso con cuidado. En algunos diseños de PDE de General Electric , los obturadores se eliminan mediante una sincronización cuidadosa, utilizando las diferencias de presión entre las diferentes áreas del motor para garantizar que el "disparo" se expulse hacia atrás.

Otro efecto secundario, aún no demostrado en la práctica, es el tiempo de ciclo. Un chorro de pulsos tradicional alcanza un máximo de aproximadamente 250 pulsos por segundo debido al tiempo de ciclo de los obturadores mecánicos, pero el objetivo del PDE es miles de pulsos por segundo, tan rápido que es básicamente continuo desde una perspectiva de ingeniería. Esto debería ayudar a suavizar el motor de chorro de pulsos que de otro modo sería altamente vibratorio: muchos pulsos pequeños crearán menos volumen que un número menor de pulsos más grandes para el mismo empuje neto. Desafortunadamente, las detonaciones son muchas veces más fuertes que las deflagraciones.

La mayor dificultad con un motor de detonación por pulsos es iniciar la detonación. Si bien es posible iniciar una detonación directamente con una gran chispa, la cantidad de entrada de energía es muy grande y no es práctica para un motor. La solución típica es utilizar una transición de deflagración a detonación (DDT), es decir, iniciar una deflagración de alta energía y hacer que se acelere por un tubo hasta el punto en que se vuelva lo suficientemente rápido como para convertirse en una detonación. Alternativamente, la detonación se puede enviar alrededor de un círculo y las válvulas aseguran que solo la potencia máxima más alta pueda filtrarse en el escape. También se puede aplicar el sistema de detonación por compresión de pulsos para resolver el problema de iniciación.

Este proceso es mucho más complicado de lo que parece, debido a la resistencia que encuentra el frente de onda en avance (similar al arrastre de onda ). Los DDT ocurren mucho más fácilmente si hay obstáculos en el tubo. La más utilizada es la " espiral Shchelkin ", que está diseñada para crear los remolinos más útiles con la menor resistencia a la mezcla de combustible / aire / escape en movimiento. Los remolinos hacen que la llama se separe en múltiples frentes, algunos de los cuales retroceden y chocan con otros frentes, y luego se aceleran hacia frentes delante de ellos.

El comportamiento es difícil de modelar y predecir, y la investigación está en curso. Al igual que con los inyectores de pulso convencionales, existen dos tipos principales de diseños: con válvula y sin válvula. Los diseños con válvulas encuentran los mismos problemas de desgaste difíciles de resolver que se encuentran con sus equivalentes de chorro de pulso. Los diseños sin válvulas generalmente se basan en anomalías en el flujo de aire para garantizar un flujo unidireccional y son muy difíciles de lograr con un DDT normal.

La NASA mantiene un programa de investigación sobre el PDE, que está dirigido a sistemas de transporte civil de alta velocidad, sobre Mach 5 . Sin embargo, la mayor parte de la investigación de PDE es de naturaleza militar, ya que el motor podría usarse para desarrollar una nueva generación de aviones de reconocimiento de alta velocidad y largo alcance que volarían lo suficientemente alto como para estar fuera del alcance de las defensas antiaéreas actuales, al tiempo que ofrecen rango considerablemente mayor que el SR-71 , que requería una flota de apoyo de petroleros masiva para su uso en operación.

Si bien la mayoría de las investigaciones se centran en el régimen de alta velocidad, los diseños más nuevos con frecuencias de pulso mucho más altas en cientos de miles parecen funcionar bien incluso a velocidades subsónicas. Mientras que los diseños de motores tradicionales siempre incluyen compensaciones que los limitan a un rango de "mejor velocidad", el PDE parece superarlos en todas las velocidades. Tanto Pratt & Whitney como General Electric tienen ahora programas activos de investigación de PDE en un intento por comercializar los diseños.

Las principales dificultades en los motores de detonación por pulsos son lograr el DDT sin requerir un tubo lo suficientemente largo como para que sea impráctico e imponga resistencia a la aeronave (agregar una curva en U en el tubo extingue la onda de detonación); reducir el ruido (a menudo descrito como un sonido como un martillo neumático); y amortiguando la vibración severa causada por el funcionamiento del motor.

Primer vuelo propulsado por PDE

Imagen en vuelo de la detonación pulsada y fuertemente modificada Rutan Long-EZ el 31 de enero de 2008.

El primer vuelo de una aeronave conocida impulsado por un motor de detonación de impulsos tuvo lugar en el puerto de aire y de espacio de Mojave , el 31 de enero de 2008. El proyecto fue desarrollado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y soluciones científicas innovadoras, Inc. . El avión seleccionado para el vuelo era un Scaled Composites Long-EZ muy modificado , llamado Borealis . El motor constaba de cuatro tubos que producían detonaciones de pulsos a una frecuencia de 80 Hz, creando hasta 200 libras de empuje (890 newtons). Los desarrolladores de motores consideraron y probaron muchos combustibles en los últimos años, pero se utilizó un octanaje refinado para este vuelo. Se utilizó un pequeño sistema de cohetes para facilitar el despegue del Long-EZ, pero el PDE operó por sus propios medios durante 10 segundos a una altitud de aproximadamente 100 pies (30 m). El vuelo tuvo lugar a baja velocidad, mientras que el atractivo del concepto de motor PDE radica más en altas velocidades, pero la demostración mostró que un PDE puede integrarse en el marco de un avión sin experimentar problemas estructurales de las ondas de detonación de 195-200 dB. No se planean más vuelos para el Long-EZ modificado, pero es probable que el éxito alimente más fondos para la investigación de PDE. El avión en sí ha sido trasladado al Museo Nacional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos para su exhibición.

En cohetes

Si el vehículo transporta combustible y oxidante, un motor de detonación por pulsos es independiente de la atmósfera y puede utilizarse en vuelos espaciales . En julio de 2021, JAXA probó con éxito un motor de cohete de detonación por pulsos en el espacio.

Cultura popular

  • En la novela de ciencia ficción Aelita (1923), dos rusos viajan a Marte en un cohete de detonación de pulsos utilizando "un polvo fino de fuerza explosiva inusual" (p. 19).
  • La novela soviética de 1939 El misterio de los dos océanos de Grigory Adamov se centra en un submarino que utiliza un motor de detonación (entre otras tecnologías de vanguardia). El combustible es una mezcla de hidrógeno / oxígeno, producida mediante electrólisis de agua. En un momento dado, el submarino es saboteado desactivando los indicadores de presión, provocando una acumulación de la mezcla explosiva.
  • El videojuego X-COM: UFO Defense presenta un avión de combate ficticio, "Interceptor", que funciona con motores de detonación de doble pulso, según la descripción del juego.
  • En la serie dramática de televisión JAG , el episodio de la novena temporada "The One That Got Away" (fecha de emisión original el 17 de octubre de 2003) presenta a Aurora , que en el programa es un avión hipersónico súper secreto en desarrollo por la CIA que usa un pulso. -motor de detonación.
  • En la película Stealth (2005), los cazas avanzados utilizan motores de detonación de pulsos con propulsores scramjet .
  • El PDE se ha utilizado como punto de la historia en varias novelas modernas, como el thriller Deception Point de Dan Brown (la segunda página del libro establece que todas las tecnologías de la historia no son ficticias y existen, aunque sin hacer referencia a ninguna fuente). ) y la novela de ciencia ficción de Victor Koman Kings of the High Frontier .

Ver también

Referencias

enlaces externos