Autor: Juan Camilo Oñoro Araujo

¿Ustedes se imaginan a un costeño probando su propio avión prototipo en pleno Carnaval?

Un profesor en Introducción a la Ingeniería Mecánica a sus estudiantes

Los humanos siempre hemos tenido el deseo de superarnos y de sobreponernos antes las desventajas naturales que nos confieren nuestros cuerpos en la naturaleza. Cuando hubo la necesidad de comer mejor y estar en un ambiente más cálido, se descubrió el fuego, cuando se tuvo que renovar la mano de obra para aumentar la producción de empresas, los ingleses revolucionaron industrialmente el mundo -literalmente-, cuando se quiso descubrir los misterios del océano, se inventó el submarino y los trajes de buceo, cuando surgió el deseo de surcar los cielos, no fue una excepción. Puede dirigirse a la Figura 1 para verlo como una línea de tiempo.

Figura 1. Línea de tiempo con algunos avances e hitos

Para finales del siglo XIX y comienzos del XX, los intentos por construir aeronaves habían sido numerosos, pero siempre quedaban en eso, intentos, con resultados no muy buenos para los involucrados. Pero en 1903, los hermanos Wright conquistaron por primera vez los cielos logrando recorrer en 12 s unos 40 m, poco menos de la mitad de una vuelta de una piscina olímpica [1]. En la Figura 2 y Figura 3 se puede ver una fotografía del aeroplano en el aire y de los hermanos, respectivamente.

Figura 2. Aeroplano de los Hermanos Wright. Tomado de [2]

Figura 3. Orville y Wilbur Wright. Tomado de [1]

Es natural pensar que, si ya se podía subir a un avión a volar, también debía existir una manera de bajarse de ellos, por lo que ahora el esfuerzo principal no era volar, sino dejar de volar. Uno de estos intentos lo realizó el sastre austriaco Franz Reichelt en 1912. Reichelt saltó de la primera plataforma de la Torre Eiffel (aprox. 57 m de altura) para probar su traje, lastimosamente, no terminó muy bien para él [3]. En la Figura 3 se puede ver una foto tomada por un testigo del salto.

Figura 4. Silueta de Reichelt probando su "paracaídas". Tomado de [3].

Es obvio que muchas de estas personas no habían hecho un curso de Mecánica de Fluidos o de Termodinámica para saber que era lo que provocaba la sustentación en un avión ni qué variables afectaban el empuje de una tobera, pero aquí estamos, en una era en donde se pueden construir puentes que conectan municipios entre montañas en menos de 2 años que no se caen (no aplica si es en nuestro país), tomar un vuelo de Barranquilla a Bogotá en poco más de 40 min o, si es interés militar, construir un F-18 para alcanzar velocidades de casi 2000 km/h.

Al leer esta cifra es común preguntarse entonces a qué se deben la diferencia de velocidades entre un avión comercial como un Airbus A320 o un Boeing 787 con un F-18, apreciables en la Figura 4.

Figura 5. Airbus A320 (izquierda) y un F/A-18 (derecha)

Bueno, una primera respuesta, y bastante obvia, es la seguridad, nadie quiere tener un aparato de más de 42 toneladas volando a más de 1500 km/h con pasajeros civiles muy nerviosos. La segunda, y un poco más elaborada, es por el tipo de motor que utilizan para su propulsión.

TURBORREACTORES EN AVIONES COMERCIALES

Cuando se piensa en motores de aviones comerciales suele venirse a la cabeza aquellos que están formados por una gran turbina y una tobera al final de estos que genera el aceleramiento de los gases de escape luego de completar el recorrido en el sistema interno, lo cual es hasta cierto punto correcto porque, en general, los aviones modernos son impulsados por motores a reacción que convierten la energía cinética del fluido de trabajo en empuje para avanzar. Estos motores se componen de una entrada o succión de aire que llega hasta un difusor que se encargará de elevarle la presión mientras lo desacelera hasta una velocidad en donde llegará a un compresor, que se encargará de aumentarle nuevamente la presión al fluido para que luego sea quemado en una cámara de combustión y salga a una turbina que, en el caso ideal, generará suficiente energía como para mover el compresor por sí sola, por último, salen a una tobera que acelerará los gases restantes para producir el impulso de la aeronave. A este tipo de motores se les conoce como turborreactores, puesto que generan una gran cantidad de variación de movimiento para una pequeña cantidad de fluido [4, pp. 508-509]. En la Figura 5 se aprecia una representación de las partes mencionadas.

Figura 6. Esquema general de un motor de reacción sin ventilador. Tomado de [4]

En estos dispositivos se suele hacer una modificación, a la que se le conoce como turbofán.  Esta consiste en unir un ventilador que divida el canal de admisión en dos partes, logrando que solo una fracción del aire succionado vaya al compresor y posteriormente a los quemadores, mientras que la otra se dirige directamente hacia la salida, permitiendo lograr dos cosas:

1. Empuje adicional porque se está redirigiendo una gran cantidad de aire hacia la salida directamente sin necesidad de pasar por la sección de quemadores.
2. Reducción del ruido generado por el conjunto, puesto que ahora a la salida hay una mezcla de aire con distintas velocidades.

En la Figura 6 se observa un esquema general del diseño de un turbofán. Se aprecia el gran diámetro del ventilador, que permite desviar parte del flujo hacia el exterior sin pasar por núcleo central.

Figura 7. Esquema de un turborreactor con ventilador. Tomado de [5]

Figura 8. Motor turborreactor con ventilador real. Tomado de [6]

En la Figura 7 se puede observar un motor de jet ejecutivo. En este se puede apreciar el gran ventilador frontal con sus álabes y la cubierta protectora, los quemadores y las turbinas que desembocan en la tobera posterior. Estos motores están dedicados a la aviación civil por su eficiencia a grandes alturas y por su versatilidad a la hora de la fracción de fluido que se puede desviar. Normalmente, se busca que dicha cantidad (llamada relación de desvío) sea alta, de modo que no se alcancen empujes críticos en caso de superarse la velocidad del sonido.

TURBORREACTORES DE BAJA RELACIÓN DE DESVÍO

Ya se mencionó que en aviones comerciales se busca que las relaciones de desvío en un turbofán sean altas para incrementar la eficiencia y mejorar la reducción de ruido, pero en aeronaves con propósitos militares, una de las principales cualidades a buscar es la velocidad, por lo que se deben hacer modificaciones al turbofán ya presentado.

Una de las primeras modificaciones que se pensaron fue en reducir la relación de desvío, puesto que así se tendría muchísimo más empuje. Una de las maneras en las que se pensó hacer esto fue reduciendo el tamaño de la cubierta externa del ventilador, pero esto se descartó por temas de seguridad estructural. En cambio, se adoptó la idea para avionetas ligeras que vuelan a bajas velocidades, lo que puede observarse en la Figura 8.

Figura 9. Motor de un turbohélice sin cubierta. Tomado de [4]

Para los propósitos militares se sugirió el uso de quemadores posteriores que aprovechen el potencial químico restante de los gases de combustión para una segunda etapa de quema después de la turbina. Esto se puede hacer porque no todo el oxígeno inicial del aire se usa en la cámara de combustión, de hacerlo, se podrían alcanzar temperaturas muy altas en los materiales del sistema que podrían provocar a la larga una falla por termofluencia o por fundición de los mecanismos.

Figura 10. Avión F-18 con postquemadores para poder despegar en una pista corta de un portaaviones

Esta modificación permite obtener muchísima velocidad tanto como 5 veces la velocidad del sonido, pero el precio que se paga es el altísimo consumo de combustible y un incremento enorme en la intensidad del sonido que sale de la tobera. En la Figura 9 puede verse un ejemplo. Un F-18 que, debido a la escaza longitud de la pista de un portaaviones, necesita mucha potencia por lo que se recurre a un proceso de postquemadores, lo que se puede evidenciar por el tono naranja en los gases de salida de la tobera, indicando que están comprimidos a muy alta temperatura.

Referencias