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Repensando los viajes hipersónicos con el motor de detonación ram-rotor (RRDE)
La tercera generación de propulsión de aviones
Desde el primer vuelo de los hermanos Wright, el concepto central del vuelo mecanizado ha sido comprimir aire para generar propulsión. Esto se hizo inicialmente con hélices cada vez más grandes en los aviones de la Primera y Segunda Guerra Mundial.
El siguiente paso fue el motor a reacción, con la primera aeronave propulsada por chorro, el Heinkel He 178, lanzada en 1939. En un motor a reacción, las partes móviles comprimen el aire e inyectan combustible para crear un potente efecto de combustión, que luego se dirige a la turbina y a la tobera del chorro para generar propulsión.
Fuente: Wikipedia
Esto se mejoró posteriormente con el ramjet, donde el movimiento del avión crea la compresión del aire, permitiendo velocidades aún mayores. Más allá de cierta velocidad, las partes móviles de un turbojet simplemente se moverían demasiado rápido y se romperían. El primer avión en usar un ramjet fue el Leduc 0.10 en 1949.
Fuente: Tech Brief
Existe una versión mejorada del ramjet, llamada scramjet (ramjet supersónico). Este motor no necesita ralentizar el aire entrante para la combustión, sino que mantiene un flujo supersónico y logra una mayor eficiencia de combustible.
Los scramjets fueron conceptualizados ya en 1958, pero solo se pusieron a prueba en 2001 en el X-43A de la NASA. Tres años después, el avión experimental alcanzó velocidades de Mach 6.8 (5,217 mph o 8,396 km/h) y Mach 9.6 (7,366 mph o 11,854 km/h).
Esto fue impresionante, pero la tecnología de los jets está alcanzando sus límites en cierta medida, al igual que la hélice de principios del siglo XX no podía superar cierta velocidad.
Por eso los científicos e ingenieros están ahora considerando un concepto totalmente diferente: los motores de detonación rotativa.
Motores de detonación rotativa
Desde el punto de vista termodinámico, las detonaciones son más eficientes que la deflagración (combustión clásica) más conocida. Por lo tanto, teóricamente, podrían usarse para quemar combustible de manera más eficiente y/o alcanzar mayores velocidades de vuelo.
Por supuesto, las explosiones son mucho más difíciles de aprovechar para generar propulsión real en un motor de avión sin… explotar a mitad del vuelo.
En un motor de detonación rotativa, esto se logra creando ondas de detonación que se propagan continuamente alrededor de una cámara de combustión en forma de anillo. Como la detonación ocurre a alta frecuencia, se genera un empuje casi continuo.
Fuente: Air Force Research Laboratory
Este tipo de motor fue probado con éxito por primera vez por la NASA en 2020.
Se espera que este tipo de motor sea hasta un 25 % más eficiente que los motores a reacción basados en combustión “normal”. Además, no requieren el gran compresor aguas arriba del quemador, lo que ahorra una enorme cantidad de peso y probablemente aumente aún más la eficiencia global del avión.
Este tipo de motores solo se ha vuelto posible recientemente gracias a los materiales avanzados. El principal factor limitante era la capacidad de los materiales para soportar temperaturas extremas, una corriente interminable de ondas de choque y un flujo rico en oxígeno simultáneamente.
¿Un ramjet de detonación?
Una desventaja importante de los motores de detonación rotativa es que funcionan mucho menos eficientemente a presiones atmosféricas. Por lo tanto, al igual que los ramjets y scramjets, idealmente necesitan ser impulsados a velocidad supersónica o hipersónica antes de activarse.
Ahora está surgiendo un concepto aún más avanzado, el motor de detonación ram-rotor. Fue desarrollado por científicos chinos de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Tsinghua, en Pekín. Publicaron su trabajo en la Chinese Journal of Aeronautics, bajo el título “Primary Investigation on Ram-Rotor Detonation Engine“.
Motor de detonación ram-rotor (RRDE)
La idea clave de un RRDE es estabilizar la detonación dentro de un rotor de alta velocidad. El canal de flujo comprime la mezcla aire‑combustible a las condiciones ideales para la detonación, sin importar la velocidad de entrada.
Fuente: Chinese Journal of Aeronautics
La onda de detonación se mantiene en su lugar equilibrando las velocidades relativas del flujo de aire de entrada y los gases en expansión y ondas de choque que salen por la tobera.
A través de este proceso, la onda de detonación permanece estacionaria respecto a las palas.
Fuente: Chinese Journal of Aeronautics
Ventajas del RRDE
Flexibilidad
Debido a que el motor puede modular la compresión del aire, actúa más como un turbojet clásico que como un ramjet, que requiere la velocidad del avión para realizar la compresión del aire.
Esto significa que el RRDE puede operar a todas las velocidades y puede funcionar como un motor independiente. En ese caso, el RRDE necesitará combinarse con componentes de entrada y escape adecuados, como difusores ajustables, aletas guía y toberas, para ampliar su rango de operación estable y sus escenarios.
Potencialmente, también podría usarse en combinación con un turbojet, similar a cómo se diseñan hoy la mayoría de los ramjets y scramjets.
Motores de aviones hipersónicos
Por definición, las ondas de detonación viajan más rápido que la velocidad del sonido, a menudo mucho más rápido. Se espera que el RRDE genere ondas de detonación estables que puedan alcanzar un número Mach de 4 a 6 respecto al flujo entrante.
Esto podría permitir que los aviones equipados con RRDE sean capaces de vuelos hipersónicos superiores a Mach 5+ (3,836 mph / 6,174 km/h), con una eficiencia considerablemente mayor que otros motores de detonación.
Una mayor eficiencia no solo reduciría los costos de combustible, sino que también permitiría un mayor alcance con el mismo combustible. O una mayor capacidad de carga para el mismo alcance, ya que se necesita transportar menos combustible pesado.
De la teoría a la práctica
Hasta ahora, el RRDE solo existe como un diseño y se ha demostrado únicamente en pruebas teóricas y simuladas de laboratorio.
Por lo tanto, aún queda un largo camino antes de un prototipo práctico, y un camino aún más largo hacia RRDEs comerciales y producidos en masa.
Esto implicará resolver problemas del mundo real que podrían no haberse considerado en la simulación. Por ejemplo, ha llevado mucho tiempo mantener una onda de detonación en un canal de anillo estático para los motores de detonación rotativa. Mantener la onda de detonación estable en un rotor de alta velocidad será aún más difícil.
Las palas del rotor deberán ser lo suficientemente ligeras para girar rápida y eficientemente, pero lo suficientemente resistentes para soportar flujos de aire de entrada hipersónicos… Así como detonaciones explosivas constantes entre las palas.
Empresa de motores de explosión rotativa
Hasta ahora, la mayor parte de la investigación realizada sobre este nuevo tipo de motor ha sido llevada a cabo por institutos de investigación públicos, principalmente agencias espaciales y militares, incluyendo NASA, la Fuerza Aérea de EE. UU., la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA), Russian Energomash, etc.
Sin embargo, hay una empresa privada que ha demostrado su capacidad para construir un motor de detonación rotativa en 2023: General Electric.
GE Aerospace
(GE )
General Electric Aerospace es el resultado de la escisión del conglomerado GE en 3 partes en 2024: GE Aerospace, GE HealthCare (GEHC ), y GE Vernova (energía) (GEV ).
Esto se hizo para reenfocar la empresa en su competencia central, después de varias décadas de financiarización que finalmente resultó ser netamente negativa.
La empresa es un proveedor central para la industria aeronáutica, con alrededor de 3 mil millones de personas que viajan usando la tecnología de GE Aerospace al año, y alrededor de 900 000 personas que vuelan en aviones impulsados por GE en cualquier momento (3 de cada 4 vuelos comerciales). Esto se basa en una serie de motores para todos los tamaños y aplicaciones de aeronaves.
Fuente: GE Aerospace
A largo plazo, se espera que esta gama de motores sea reemplazada por una nueva generación con mayor eficiencia de combustible, lograda mediante esfuerzos de I&D a largo plazo. Esto podría estar en el rango de mejora del 10‑15 % en eficiencia de combustible para aviones civiles y hasta un 25 % para aviones militares.
Fuente: GE Aerospace
Además de los motores, la empresa también ofrece tecnología de carburo de silicio para sistemas de energía eléctrica y aviónica (electrónica y computadoras de aeronaves).
La empresa ha sido durante mucho tiempo líder en sistemas de propulsión de aeronaves. Con mucho, su actividad está impulsada por el sector civil (ingresos de 23,9 mil millones de dólares en 2023), seguido por el segmento de defensa (9 mil millones de dólares).
El 70 % de los ingresos de la empresa proviene de servicios, especialmente mantenimiento y reparación de motores, lo que constituye una fuente de ingresos muy estable.
Fuente: GE Aerospace
La empresa está invertida en tecnología futura para mantener su ventaja, notablemente la impresión 3D con GE Additive, el único OEM (Fabricante de Equipo Original) en fabricación aditiva de metal con una solución completa de extremo a extremo.
Fuente: GE Aerospace
Motor de detonación rotativa de GE
Como se mencionó antes, GE también logró la primera prueba mundial de ramjet de modo dual hipersónico (DMRJ) con combustión de detonación rotativa (RDC) en una corriente de flujo supersónico.
Esto fue posible gracias al dominio de GE de los composites cerámicos de matriz (CMCs) de alta temperatura, la electrónica de potencia de carburo de silicio, las tecnologías aditivas y la gestión térmica avanzada.
“Los resultados significativos que hemos obtenido hasta la fecha nos dan confianza de que estamos avanzando en la dirección correcta.
El equipo se ha movido muy rápido, tomó solo 12 meses de inicio a fin para la demostración del DMRJ con RDC. El equipo está en camino de cumplir su objetivo de demostrar un DMRJ completo con RDC a escala el próximo año.”
Los motores hipersónicos como este podrían usarse primero en aplicaciones militares avanzadas, desde aviones de combate hasta misiles. Pero también es probable que algún día lleguen a los aviones hipersónicos civiles, y la presencia de GE en ambos mercados debería ayudar a capitalizar esta tecnología emergente.
En general, después de un largo período de ser un conglomerado sin dirección y centrarse en la ingeniería financiera, parece que GE está de regreso en el camino para restablecerse como un centro de la ingeniería y la fabricación estadounidenses, en un momento en que la reindustrialización y la relocalización son tendencias fuertes.
