Motor a reacción

Un motor a reacción es un motor destinado a la propulsión de vehículos (principalmente aéreo, pero no exclusivamente). El principio básico se basa en la proyección de un fluido ( gas o líquido ) en una determinada dirección; por reacción , este fluido luego transmite un empuje al vehículo en la dirección opuesta.

La muy favorable relación peso / potencia de este tipo de motores le abre numerosas aplicaciones en los sectores aeronáutico (aviones de alta velocidad) y espacial , así como en el sector marino ( hidrojet ).

Propulsión a Chorro

La propulsión a chorro se basa en el principio de acción-reacción formulado por Isaac Newton . Este principio puede ilustrarse con la experiencia mental de dos cosmonautas que se repelen en el espacio (imagen opuesta a la izquierda). En este experimento mental, es más útil imaginar que solo un cosmonauta asegura la proyección del otro (que solo es válida para la masa que representa). La conservación del impulso del sistema general (cosmonauta 1 proyector + cosmonauta 2 proyectado) implica que la expulsión de masa en una dirección crea una fuerza en la dirección opuesta.
Si los dos cosmonautas tienen la misma masa, tendrán, después de la proyección, la misma velocidad en la dirección opuesta.
Si uno de los cosmonautas es más liviano, la misma ley de conservación del momento hará que se aleje del otro con mayor rapidez (ya sea lanzando o lanzando).

Al contrario de lo que se piensa a menudo, este experimento espacial se puede llevar a cabo en la Tierra: un patinador puede hacer retroceder a otro (los dos patinadores pueden ser reemplazados por dos patines de práctica). Sin siquiera usar ruedas, si colocas a dos niños frente a frente, tocándose las puntas de los pies, y le pides a uno que empuje al otro con mucha fuerza sin cambiar la posición de los pies, se negará a hacerlo porque tiene integrado. desde una edad temprana que, al hacerlo, también será impulsado hacia atrás.

El retroceso de un arma de fuego es un ejemplo de propulsión a chorro.

Hay dos tipos principales de propulsores de chorro, según el origen del material arrojado:

los que proyectan un material contenido en el cuerpo de la máquina: motor cohete , propulsión eléctrica , etc. y todos los motores a reacción anaeróbicos ( cohetes de agua , globos;
los que utilizan un fluido previamente absorbido por el vehículo, en la parte delantera, y acelerado, antes de ser proyectado hacia la parte trasera; estos son los diferentes tipos de motores a reacción (o más simplemente reactores ): turborreactor , estatorreactor , supertorjet ; los hidrojets se pueden clasificar en este tipo de propulsores.

Ejemplos en la naturaleza

Muchos animales se mueven por reacción. Podemos mencionar pulpos, medusas y muchos bivalvos como las vieiras (video al lado). La propulsión de aves y murciélagos también está asegurada por reacción (estas aves proyectan aire hacia atrás para crear su fuerza hacia adelante); además, su propio sustento depende del principio de reacción (sus alas, por su velocidad e incidencia, proyectan aire hacia abajo).

Ejemplos en la vida cotidiana

Si dejamos de lado el hecho de tomar un avión a reacción (Airbus o Boeing, por ejemplo), encontramos en la vida cotidiana ejemplos de objetos que operan con jets, con la ventaja de que estos objetos son demostración de una reacción fría . Por ejemplo :

La pajita doblada: cuando sopla en una pajita doblada hacia abajo y sostenida suavemente con los labios, observa que se eleva por reacción (animación a continuación).
Un globo (globo de látex) inflado con calor impulsa la reacción cuando se cae. Con un pequeño truco, incluso puedes hacer cohetes con globos que pueden volar en línea recta (imagen de abajo de un cohete de este tipo en su plataforma de lanzamiento).
Los cohetes de agua también son un ejemplo de propulsión a chorro. Expulsa el agua expulsada por la presión del aire comprimido suministrado por una bomba de bicicleta o cualquier otro dispositivo. El Flyboard inventado por el francés Franky Zapata es un uso divertido y comercial del principio de la reacción del agua (video al lado).
La ley de acción y reacción se puede probar (e incluso experimentar) practicando el experimento del bote de Tsiolkovsky (animación a continuación). Además, todo el mundo ha podido observar que cuando nos movemos hacia la parte delantera de una embarcación ligera, esta misma embarcación se desplaza hacia atrás (en proporción a las masas implicadas): sentimos que cada uno de nuestros pasos hacia adelante tira del barco hacia atrás ( acción reacción).

Ejemplos de motores a reacción simples
Experimento de reacción de paja doblada
Animación de la experiencia "El barco de Tsiolkovsky"
Cohetes globo

Analisis fisico

La fuerza propulsora (llamada en este caso empuje ) es la derivada del momento en el tiempo ( segunda ley de Newton ):

{\ vec F} = {{\ mathrm {d}} (M {\ vec V}) \ over {\ mathrm {d}} t} = - {{\ mathrm {d}} (m {\ vec v} ) \ over {\ mathrm {d}} t}

o :

${\ vec F} \!$ es el vector de fuerza resultante sobre el vehículo;
$M \!$ y son la masa del vehículo y su vector de velocidad ; ${\ vec V} \!$
$m \!$ y son la masa expulsada y su velocidad; ${\ vec v} \!$
$t \!$ es el momento .

En la práctica, podemos encontrar formas simplificadas de esta fórmula; por ejemplo, para un motor de avión (sin tener en cuenta la masa de combustible consumida, que es muy baja en comparación con la masa de aire agitado), se convierte en:

F _ {{\ text {push}}} = {\ dot {m}} \ times (v _ {{\ text {salida}}} - v _ {{\ text {entrada}}})

o :

$\ dot {m}$ es el caudal másico del aire que pasa a través del motor, siendo despreciable el caudal de combustible (kg / s);
$v _ {{\ text {salida}}}$ es la velocidad de salida de los gases de la boquilla (m / s);
$v _ {{\ text {entrada}}}$ es la velocidad de entrada de gases en el motor (m / s).

En términos de energía , el trabajo proporcionado por el empuje es tanto más productivo cuanto que la velocidad del vehículo es alta y la del eyectado baja (en comparación con el punto de partida, del que se busca alejarse). Lo ideal es que el eyectado se detenga (su velocidad cero no le proporciona energía cinética y toda la energía se transfiere al vehículo); lo que implica adaptar constantemente la velocidad de expulsión a la del vehículo. Siendo esto imposible en la práctica, cada motor tendrá su velocidad de funcionamiento óptima, adaptada a la velocidad de crucero del vehículo.

Tipos

En el caso más común, el gas expulsado es el resultado de una reacción química controlada que produce un gas a alta temperatura que, al expandirse en el motor, adquiere una alta velocidad (a mayor velocidad, mayor empuje).

El eolípilo de Garza de Alejandría es el antepasado de los motores de este tipo (el gas expulsado aquí es vapor de agua ). En el medio del XVIII e siglo , el austríaco matemático Segner estudió un torniquete hidráulico basado en el mismo principio de la reacción, pero la explotación de una cascada : la máquina anuncia las turbinas hidráulicas del XIX e siglo , que a su vez inspirar el concepto . de motor turboeje .

En general, podemos separar este tipo de motor en tres categorías:

Motor aeróbico

Los motores aeróbicos utilizan el oxígeno del aire como oxidante u oxidante en una reacción química. Solo se pueden usar en la atmósfera terrestre . En esta categoría encontramos:

el turborreactor ;
el estatorreactor ;
el superstatoreactor ;
el reactor de pulsos y el motor de onda de detonación pulsada .

Motor anaeróbico

Los motores anaeróbicos transportan el oxidante y el combustible necesarios para que la reacción química produzca un empuje fuera de cualquier atmósfera. En esta categoría aparecen en particular motores de cohetes pero también en misiles , lanzadores espaciales , así como en satélites y determinadas sondas espaciales . Se hace una distinción entre propulsores según el tipo de combustible:

sólido ( propulsor ): propulsores en polvo , utilizados en los propulsores de ciertos cohetes o como propulsores de despegue (avión o cohete);
líquido ( propulsor );
híbrido ( lithergol ).

Motor no químico

Otros motores utilizan una reacción no química para la producción de empuje. Aunque su potencia a menudo sigue siendo modesta, su impulso específico I sp (cuanto mayor es el último, menos consume el propulsor) es mucho mayor que el de los motores químicos. Estos proporcionan una aceleración constante de muy larga duración (paradójicamente permitiendo alcanzar altas velocidades después de una larga aceleración ). Se utilizan para la propulsión de sondas o vehículos interplanetarios.

Se basan en aspectos fundamentales de la física. Hay tres tipos de motores según el tipo de propulsión:

electrodinámica como el motor iónico que puede ser de rejilla o efecto Hall ;
fotónica como vela solar ;
nuclear usando fisión y (teóricamente al menos) fusión nuclear en el motor atómico .

Los propulsores de tipo VASIMR utilizan los tres aspectos de la propulsión eléctrica.

Notas y referencias

Notas

Al calcular el retroceso de un arma, a menudo se hace una separación entre balística interna (es decir, lo que sucede cuando la bala todavía está en el cañón) y balística externa (cuando sale la bala). Cañón). Pero los efectos de la reacción comienzan cuando la bala comienza a moverse dentro del cañón.
Propulsión eléctrica (espacio) con diferentes valores de I sp .

Referencias

G. Pichon, " Los principios de la propulsión a chorro " , en www.avionslegendaires.net ,2009(consultado el 6 de noviembre de 2014 ) .
Debemos tener en cuenta que la gente común vincula el principio del motor a reacción con las llamas que salen de él (para motores de cohetes o reactores de aviones). Sin embargo, la temperatura del fluido liberado por un motor a reacción no es más que un subproducto no deseado (es una pérdida de energía).

Ver también

enlaces externos

Motores a reacción , 1952, Gaston LAVOISIER Director de Estudios Técnicos en el Centro de Educación Aérea Superior, École Militaire, París (Principios, descripción, entrevista)