DIEGO MARTÍN GALLEGO / PILOTO DE AVIACIÓN
El trabajo de final de carrera, en ocasiones temido por los estudiantes, se trata en realidad de una oportunidad única para aumentar nuestros conocimientos de forma especializada. Tras cuatro años siguiendo un plan de estudios tenemos la ocasión de poder hacer una investigación personal sobre el tema que más nos interese dentro del contexto de la aviación. En mi caso intenté seguir mi curiosidad hacia el mundo supersónico de la mano del Prof. Guillem Pastor Torrente y el resultado fue el trabajo “Challenges in propulsion systems for supersonic flight” del cual realizaré un breve resumen.
El vuelo supersónico es un dolor de cabeza para cualquier ingeniero. Es como intentar que una persona vaya en bicicleta mirando hacia atrás por una carretera revirada. El trabajo del ingeniero es guiar a esa bicicleta mientras la acelera lo máximo posible. Tras hacer una breve introducción a los conceptos básicos de la propulsión y una explicación de cómo funcionan las toberas de entrada, pasamos a tratar con detalle la aceleración del flujo más allá de la velocidad del sonido.
Una de las grandes preocupaciones de los diseñadores es la de cómo acelerar el aire a velocidades supersónicas una vez sale de la última turbina de la manera más eficiente. ¿Por qué necesitamos para ello una tobera convergente-divergente? Si consideramos algunas hipótesis como que el flujo es unidimensional, el aire es un gas perfecto y el proceso dentro de la tobera es adiabático; usando las leyes de la termodinámica y la conservación de masa podemos hallar, tras una serie de complejos cálculos, la fórmula que nos muestra la relación de áreas necesaria para acelerar el flujo. Esta se conoce como la ley de áreas:
Se alcanza 1M en la garganta porque es a la velocidad que más flujo puede pasar por unidad de tiempo. A una velocidad inferior menos masa de aire pasa por cada segundo y a velocidades superiores se forma una onda de choque que decelera el flujo por debajo de 1 M haciendo también que circule menos masa de aire por segundo. Por lo tanto cuando se logra la velocidad del sonido en la garganta, ésta se considera ahogada.
Otro dato muy importante e interesante de analizar es la presión de salida de los gases. Los motores supersónicos para buscar la máxima eficiencia necesitan disponer de toberas de salida de área variable. Necesitamos buscar una presión de salida de los gases equivalente a la presión ambiente para lograr la máxima potencia.
A medida que el flujo se acelera, su presión disminuye y si la presión final de salida de los gases es superior a la presión ambiente se formará una onda de choque oblicua de expansión para igualar las presiones. Puesto que las ondas de choque oblicuas hacen cambios bruscos de presión, se necesitarán una sucesión de ondas compresivas y expansivas hasta que las presiones consigan ser igualadas. Esta es la explicación de por qué podemos ver los conocidos diamantes a la salida de algunas toberas supersónicas poco eficientes. A su vez lo mismo pasa cuando la presión de salida es inferior a la ambiente, con la diferencia de que encontraremos una onda compresiva al principio.
Finalmente en el trabajo se aplica la teoría analizada a la práctica mostrando tipos de motores reales y explicando cómo consiguen alcanzar el rango de velocidad necesario, como por ejemplo los reactores denominados supercruise o con postcombustión así como los ramjets, scramjets o motores cohete. Invito a cualquier persona que quiera profundizar en la complejidad del flujo supersónico o simplemente que tiene curiosidad, a leer el trabajo.
