Ramjet (Estatorreactor): ¿Qué es? Definición y funcionamiento
Descubre qué es un ramjet, cómo funciona sin piezas móviles usando ondas de choque para generar empuje a velocidades supersónicas y sus aplicaciones en la aviación.
Un ramjet es un tipo de motor que utiliza las propiedades del aire para crear empuje. Los motores a reacción se suelen instalar en aviones y requieren que el avión se mueva por encima de la velocidad del sonido, también llamada Mach 1. Se diferencian de los motores "normales" de los aviones porque no tienen ninguna pieza móvil que comprima el aire. En su lugar, utilizan ondas de choque para comprimir el aire.
Definición y principio de funcionamiento
El estatorreactor o ramjet es un motor a reacción de diseño simple que aprovecha la velocidad relativa del vehículo para comprimir el aire entrante. No tiene compresores ni turbinas rotativas: la compresión se consigue por la propia geometría del conducto de admisión y por las ondas de choque que aparecen cuando el flujo es supersónico. El aire comprimido se mezcla con combustible, se enciende y la expansión de los gases en la tobera genera empuje según la tercera ley de Newton.
Partes principales
- Entrada o toma de aire: diseñada para generar ondas de choque oblicuas y comprimir el flujo a alta velocidad.
- Difusor: reduce la velocidad y aumenta la presión antes de la cámara de combustión.
- Cámara de combustión: donde se inyecta y quema el combustible. En los ramjets el flujo dentro de la cámara suele ser subsonico.
- Tobera: expande y acelera los gases para producir empuje.
Rango de velocidades y relación con los scramjets
Los ramjets son más eficaces a velocidades supersónicas. De forma práctica, operan desde velocidades altas (necesitan una velocidad inicial para generar la compresión dinámica) y rinden mejor típicamente entre Mach 2 y Mach 4. Pueden funcionar desde alrededor de Mach 0,5 hasta Mach 6 en algunos diseños, pero por encima de ciertos límites térmicos y de flujo conviene cambiar a tecnologías como el scramjet, que mantiene la combustión a velocidades supersónicas en la cámara. La principal diferencia es que en el scramjet el flujo no se desacelera a subsonico en la cámara de combustión.
Arranque y sistemas auxiliares
Un ramjet no puede generar empuje desde parado; necesita que el vehículo alcance una velocidad mínima para que la admisión comprima el aire. Por eso suele utilizarse junto con:
- Cohetes o boosters que aceleran el vehículo hasta la velocidad de encendido del ramjet.
- Sistemas combinados como turborreactores que actúan en la fase de despegue y luego se desconectan o se mezclan con el estatorreactor (turboramjet).
Ventajas y desventajas
- Ventajas: diseño simple (pocas piezas móviles), alta eficiencia a altas velocidades y buena relación empuje/peso en régimen supersónico.
- Desventajas: incapacidad para generar empuje a velocidad cero, rango operativo limitado, altas temperaturas y cargas térmicas en los materiales, y necesidad de un sistema de arranque o ayuda inicial.
Combustible, encendido y control
Los ramjets típicamente emplean combustibles líquidos (queroseno, JP-10 u otros hidrocarburos) o hidrógeno en ensayos experimentales. Debido al rápido flujo y a las altas temperaturas, se requieren dispositivos de flameholding (sujeción de la llama) y sistemas fiables de inyección para asegurar una combustión estable. El control del empuje se consigue variando la tasa de inyección de combustible y la geometría de la tobera en diseños más avanzados.
Aplicaciones
Los estatorreactores se usan principalmente en:
- Misiles de crucero y proyectiles supersónicos, donde se aprovecha su simplicidad y eficiencia a alta velocidad.
- Vehículos experimentales y programas de investigación sobre vuelo hipersónico.
- Sistemas combinados en aeronáutica para ampliar el envolvente de velocidad de propulsión.
Retos técnicos y materiales
Las temperaturas y presiones en funcionamiento obligan a utilizar materiales resistentes al calor y a la fatiga térmica, aislamientos y sistemas de refrigeración en puntos críticos. Además, la estabilidad de la combustión a altas velocidades y la gestión de ondas de choque en la admisión son desafíos de diseño importantes.
Perspectivas y desarrollo
La investigación actual se centra en mejorar la gestión térmica, el control de la combustión a altas velocidades y la integración de estatorreactores en sistemas multifase (p. ej. combinados con cohetes o scramjets). Estos avances buscan aplicaciones en transporte hipersónico, lanzadores reutilizables y mayor alcance en misiles de alta velocidad.
En resumen, el ramjet es una solución de propulsión eficiente y relativamente sencilla para régimen supersónico, adecuada donde se puede proporcionar una velocidad inicial y donde sus limitaciones térmicas y de arranque se gestionen mediante sistemas auxiliares.
Partes de un Ramjet
Los ramjets se componen de 4 secciones principales.
Entrada
La primera sección se denomina entrada. El propósito de la entrada es capturar el aire y comprimirlo. La compresión es necesaria para que el combustible se queme correctamente. La compresión proviene de un proceso llamado onda de choque. Las ondas de choque sólo se producen cuando el avión se mueve a Mach 1 o más. Por esta razón, los ramjets son más eficientes si se mueven alrededor de Mach 2 o 3.
Difusor
La segunda parte del ramjet se llama difusor. El aire que entra por la entrada se mueve muy rápido, lo que hace muy difícil quemar el combustible. El trabajo del difusor es ralentizar el flujo de una manera eficiente. Cuando el aire ha pasado por la entrada, viaja a una velocidad inferior a Mach 1. Esto es importante para que el difusor funcione correctamente. El difusor es esencialmente sólo una tubería que aumenta en área a medida que se mueve a lo largo de ella. Debido a que el flujo se mueve más lento que Mach 1, el aumento del área hace que el aire sea más lento.
Cámara de combustión
La tercera parte del ramjet es la cámara de combustión. En la cámara de combustión se introduce el combustible en el aire y se quema. La quema del combustible añade energía al aire, que posteriormente se utilizará para crear empuje. Para que la cámara de combustión funcione correctamente, el aire debe moverse con relativa lentitud. En el interior de la cámara de combustión hay una pieza llamada portaflama. Como su nombre indica, el portallamas mantiene la llama en su sitio. Un portallamas típico tiene el aspecto de un anillo de pequeñas piezas metálicas en forma de "V". Crean pequeñas bolsas de aire lento, que facilitan que el combustible siga ardiendo.
Boquilla
Una vez quemado el combustible y calentado el aire, éste pasa por la última parte, la tobera. El objetivo de la tobera es convertir toda la energía del aire en empuje. Para ello, la tobera debe hacerse primero más pequeña y luego más grande. La zona más pequeña de la tobera se llama "garganta". El aire que sale de la cámara de combustión se mueve a una velocidad inferior a Mach 1, por lo que a medida que la tobera se hace más pequeña, el aire se acelera. La tobera está diseñada para que, una vez que el aire llegue a la garganta, se haya acelerado hasta Mach 1. Este es un detalle importante para que la tobera funcione correctamente. Una vez que el aire pasa por la garganta, el aire vuelve a ser más grande. Como el flujo ha alcanzado Mach 1 en la garganta, al aumentar el área también aumenta la velocidad del aire. Esta es la clave para crear empuje. El aire que sale de la tobera esencialmente "empuja" el ramjet hacia adelante.
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