¿En qué principio se basa un avión para volar? ¿Cuál es el principio de un motor de avión?
Un avión es un avión más pesado que el aire que utiliza una planta de energía para generar energía hacia adelante, alas fijas para generar sustentación y vuela en la atmósfera. Es más pesado que el aire y no puede batir sus alas como un pájaro, pero los aviones pueden elevarse en el aire. Resulta que las alas del avión no se extienden planas, sino que son convexas hacia arriba. De esta manera, cuando el avión avanza horizontalmente, el flujo de aire que se aproxima genera sustentación hacia arriba en las alas, lo que hace que el avión se eleve en el aire. Cuanto más rápido vuela el avión y mayor es el área del ala, mayor es la sustentación que genera. Por lo tanto, el avión necesita recorrer una cierta distancia en la pista del aeropuerto antes de despegar y no puede volar a un lugar sin aire.
Los primeros aviones dependían de la rotación de la hélice en la parte delantera del fuselaje para generar tracción y avanzar. Las hélices no producen mucha tracción y el avión no vuela muy rápido. El 27 de agosto de 1939, el primer avión a reacción voló con éxito, aumentando considerablemente la velocidad de los aviones. El motor a reacción comprime el aire inhalado, lo mezcla con combustible y lo quema para formar gas a alta temperatura y presión que se expulsa hacia atrás para generar una potente propulsión y permitir que el avión vuele a altas velocidades.
Hoy en día, la velocidad de vuelo de un avión puede ser varias veces la velocidad del sonido que se propaga en el aire (340 metros por segundo). Sólo se necesitan una docena de horas para volar un avión de este tipo y rodear el ecuador terrestre. El avión se llama avión supersónico. La fabricación de un avión supersónico no sólo requiere motores a reacción avanzados, sino que también requiere altos requisitos en términos de materiales de fabricación y diseño de apariencia de aviones. Es una tecnología muy compleja. Ahora, además de los aviones de combate avanzados y los aviones de reconocimiento, algunos aviones de pasajeros grandes también son aviones supersónicos. Sin embargo, los aviones de hélice no han sido eliminados. Todavía desempeñan un papel importante en muchos trabajos que no requieren vuelos a alta velocidad (como la fumigación de pesticidas y la prevención de incendios forestales). Principios de los motores a reacción y algunos métodos de trabajo
Principios de la propulsión a reacción
La propulsión neumática es la aplicación práctica de la tercera ley del movimiento de Sir Isaac Newton. Esta ley se expresa como: "Toda fuerza que actúa sobre un objeto tiene una reacción igual y opuesta en la dirección opuesta". En el caso de la propulsión de un avión, el "objeto" es el aire acelerado al pasar por el motor. La fuerza requerida para producir esta aceleración tiene una fuerza de reacción igual y opuesta que actúa sobre el dispositivo que produce esta aceleración. Los motores a reacción producen empuje de manera similar a una combinación de motor y hélice. Ambos propulsan el avión empujando grandes cantidades de gas hacia atrás, uno en forma de una estela de aire de velocidad relativamente baja y el otro en forma de un chorro de gas de muy alta velocidad.
Este mismo principio de reacción ocurre en todas las formas de movimiento y a menudo se aplica de muchas maneras. El primer ejemplo famoso de reacción a reacción es el motor de Hero, producido como juguete en el año 120 a.C. Este juguete demuestra que la energía del vapor de agua expulsado de la boquilla puede transmitir una fuerza de reacción igual y opuesta a la propia boquilla, haciendo que el motor gire. Un aspersor de jardín giratorio similar es un ejemplo más práctico de este principio. Este tipo de aspersor gira gracias a la fuerza de reacción que actúa sobre la boquilla del aspersor. Las boquillas de alta presión de los equipos modernos de extinción de incendios son un ejemplo de "reacción de chorro". Un bombero a menudo pierde el agarre o el control de una manguera debido a la fuerza de reacción del chorro de agua. Quizás la demostración más sencilla de este principio sea la de un globo de carnaval que, cuando libera aire o gas, sale disparado en dirección opuesta al chorro.
La reacción del jet es definitivamente un fenómeno interno. No es causado por la presión de la corriente en chorro sobre la atmósfera, como suele pensarse. De hecho, un motor de propulsión a reacción, ya sea cohete, estatorreactor o turborreactor, es un dispositivo diseñado para acelerar un flujo de aire o gas y descargarlo a alta velocidad. Por supuesto, hay diferentes formas de hacerlo. Sin embargo, en todos los casos, la fuerza de reacción final sobre el motor, el empuje, es proporcional a la masa del flujo de aire expulsado por el motor y la velocidad del flujo de aire. En otras palabras, agregar una velocidad pequeña a una cantidad grande de aire o una velocidad grande a una cantidad pequeña de aire proporcionará el mismo empuje.
En la práctica, la gente prefiere lo primero porque reducir la velocidad del chorro da como resultado una mayor eficiencia de propulsión.
Varios modos de propulsión a chorro
La única diferencia entre los distintos tipos de motores a reacción, ya sean estatorreactor, chorro pulsado, turbina de gas, turbina/estatorreactor o turbocohete, es el "empuje". "Proveedor" es la forma en que el motor suministra energía y la convierte en potencia de vuelo.
El motor estatorreactor es en realidad una especie de conducto térmico aerodinámico. No tiene partes giratorias importantes y consta únicamente de un conducto de entrada expansible y una salida convergente o convergente-expandible. El aire ingresa al conducto de entrada cuando una fuente de energía externa lo impulsa hacia adelante. A medida que fluye a través de este conducto difuso, su velocidad o energía cinética disminuye, mientras que su energía de presión aumenta. Posteriormente, la energía total aumenta mediante la combustión del combustible y el gas expandido se descarga a la atmósfera a alta velocidad a través del conducto de salida. Los motores ramjet se utilizan a menudo como dispositivos de potencia para misiles y aviones objetivo, pero un motor ramjet simple no es adecuado como dispositivo de potencia para aviones comunes porque requiere movimiento hacia adelante antes de poder generar empuje.
El motor a reacción por impulsos utiliza el principio de combustión intermitente. A diferencia de un estatorreactor, puede funcionar en reposo. Este motor está compuesto por un conducto aerodinámico similar a un motor ramjet. Su presión es mayor y su estructura es relativamente sólida. El conducto de admisión tiene muchas "válvulas" de admisión, que están en posición abierta bajo la acción de la tensión del resorte. El aire ingresa a la cámara de combustión a través de las válvulas abiertas y se calienta quemando el combustible inyectado en la cámara de combustión, lo que provoca la expansión. La presión aumenta, lo que obliga a la válvula a cerrarse y luego el gas en expansión es expulsado hacia atrás; el escape provoca una caída de presión, lo que hace que la válvula se vuelva a abrir. Este proceso se repite una y otra vez. Los motores a reacción de impulsos alguna vez fueron diseñados como dispositivos de propulsión para rotores de helicópteros, y algunos incluso eliminaron la necesidad de válvulas de admisión al diseñar cuidadosamente conductos para controlar los cambios de presión en el ciclo de vibración primario. Sin embargo, el motor a reacción por impulsos no es adecuado como motor de avión debido a su alto consumo de combustible y a su incapacidad para alcanzar el rendimiento de los modernos motores de turbina de gas.
Aunque los motores de cohetes también son motores a reacción, tienen grandes diferencias. Es decir, el motor del cohete no utiliza la atmósfera como fluido de propulsión, sino que utiliza la combustión del combustible líquido que transporta o el combustible formado por descomposición química y el agente oxígeno para generar su propio fluido de propulsión, de modo que pueda funcionar en el exterior. la atmósfera terrestre, pero sólo es adecuado para El tiempo de trabajo es muy corto.
La aplicación de los motores turborreactores a la propulsión a reacción evita las debilidades inherentes de los motores de cohetes y estatorreactores debido al uso de turbinas. compresores, el motor tiene suficiente potencia a bajas velocidades para producir un empuje potente. Los motores turborreactores funcionan según un "ciclo de trabajo". Chupa aire de la atmósfera, lo comprime y lo calienta, y el aire gana energía e impulso y se mueve a velocidades de hasta 2000 pies por segundo (610 metros por segundo), o alrededor de 1400 millas por hora (2253 kilómetros por hora). ). Empuje hacia la boquilla y descargue. Cuando el chorro de alta velocidad sale del motor, hace que el compresor y la turbina sigan girando, manteniendo el "ciclo de trabajo". La disposición mecánica de un motor de turbina es relativamente sencilla porque sólo contiene dos partes giratorias principales, el compresor y la turbina, así como una o varias cámaras de combustión. Sin embargo, no todos los aspectos de este motor son de esta sencillez, ya que las cuestiones térmicas y aerodinámicas son más complejas. Estos problemas son causados por las altas temperaturas de funcionamiento de la cámara de combustión y la turbina, el flujo de aire cambiante a través del compresor y las palas de la turbina, y el diseño del sistema de escape que elimina los gases y crea el chorro propulsor.
A velocidades de avión inferiores a aproximadamente 450 mph (724 km/h), un motor a reacción puro es menos eficiente que un motor de hélice porque su eficiencia de propulsión depende en gran medida de su velocidad de vuelo, por lo tanto, los motores turborreactores puros; Son los más adecuados para velocidades de vuelo más altas. Sin embargo, la eficiencia de la hélice disminuye rápidamente por encima de 350 mph (563 km/h) debido a las perturbaciones del flujo de aire causadas por la alta velocidad punta de la hélice. Estas características permiten que algunos aviones de velocidad media utilicen una combinación de hélice y motor de turbina de gas en lugar de un turborreactor puro: un motor turbohélice.
La superioridad de la combinación hélice/turbina fue hasta cierto punto reemplazada por la introducción de ventiladores con conductos internos y externos, motores con ventilador con conductos y motores con ventilador de hélice. Estos motores tienen mayores caudales y velocidades de chorro más bajas que los motores a reacción puros, por lo que su eficiencia de propulsión es comparable a la de los motores turbohélice y supera la de los motores a reacción puros.
El motor turbo/ramjet combina un motor turborreactor (que se utiliza comúnmente a varias velocidades por debajo del número de Mach 3) con un motor ramjet, que tiene un buen rendimiento a números de Mach altos. Este motor está rodeado por un conducto con una entrada ajustable en la parte delantera y una boquilla de posquemador con boquilla ajustable en la parte trasera. Durante el despegue y la aceleración, y en condiciones de vuelo por debajo de Mach 3, el motor funciona como un turborreactor convencional; cuando el avión acelera por encima de Mach 3, su mecanismo de turborreactor está cerrado y el aire de las vías respiratorias pasa a través de las palas guía sin pasar por el compresor. fluye directamente hacia la boquilla del postquemador, que luego se convierte en la cámara de combustión del motor estatorreactor. Este motor es adecuado para aviones que requieren vuelos a alta velocidad y mantienen condiciones de crucero con un número de Mach alto. En estas condiciones, el motor funciona como un motor ramjet.
La estructura de un motor de turbina/cohete es similar a la de un motor de turbina/ramjet. Una diferencia importante es que proporciona su propio oxígeno para la combustión. Este motor tiene un compresor de baja presión impulsado por una turbina de múltiples etapas, y la energía para impulsar la turbina se genera quemando combustible y oxígeno líquido en una cámara de combustión tipo cohete. Debido a que la temperatura del gas puede alcanzar los 3500 grados, es necesario inyectar combustible adicional en la cámara de combustión para enfriarlo antes de que el gas ingrese a la turbina. Esta rica mezcla (gas) luego se diluye con aire del compresor y el combustible restante se quema en un sistema de postcombustión convencional. Aunque este motor es más pequeño y ligero que un motor turbo/ramjet, consume más combustible. Esta tendencia lo hace más adecuado para interceptores o lanzadores de naves espaciales. Estos aviones requieren un rendimiento a gran altitud y alta velocidad, y a menudo requieren un rendimiento de alta aceleración sin una larga resistencia.