El misil de crucero supersónico BrahMos es el más rápido y único en su clase en el planeta. Durante su recorrido, rompe la barrera del sonido viajando tres veces más rápido que una onda sonora. Su velocidad lo hace invulnerable a los sistemas de defensa existentes.
En su primera etapa, el misil BrahMos utiliza propulsores sólidos y en la segunda etapa, utiliza motores ramjet. En este artículo, exploraremos cómo funcionan estos fascinantes motores.
Choques sonoros y la formación de una barrera de sonido
Para comprender la tecnología de los motores ramjet, primero debemos entender el concepto de las ondas de choque. Todos estamos familiarizados con las ondas circulares que se forman cuando se arroja un objeto al agua. Estas ondas se propagan uniformemente.
Imaginemos ahora un escenario interesante: un niño jala una pelota de tenis hacia él. El movimiento del niño produce ondas que no son concéntricas. Este efecto puede suceder también con las ondas sonoras durante el movimiento de un avión. Aquí, las ondas sonoras toman el lugar de las ondas en el agua y el avión toma el lugar de la pelota de tenis.
En este escenario, las ondas sonoras obviamente se moverán a la velocidad del sonido. Pero ahora, ¿qué pasaría si el avión se mueve a la velocidad del sonido? Obviamente, las ondas sonoras no podrán avanzar. Si te mueves junto con el avión, verás que las ondas sonoras quedan «atascadas» en la parte delantera, formando una barrera de sonido.
Durante la Segunda Guerra Mundial, se asumió que la barrera de sonido era una especie de «muro invisible» debido a la alta resistencia que experimentaban los aviones. Sin embargo, ¿qué sucedería si el avión se mueve más rápido que las ondas sonoras? Las ondas concentradas en la parte delantera del avión formarán repentinamente un patrón de ondas distribuido como se muestra en la imagen.
El avión necesita aplicar más empuje durante esta transición. El patrón distribuido tiene forma de cono y dentro de este cono se forma una región estrecha con un grosor de 200 nanómetros y altas temperaturas y presiones. La presión en esta región estrecha es casi 29 veces mayor que la presión atmosférica. Esta región se conoce como una onda de choque.
¿Por qué se forma la onda de choque cuando el avión se mueve a una velocidad mayor que la del sonido? Esto se debe a que, en un fluido, la información se propaga a la velocidad del sonido. Cuando el avión viaja más rápido que el sonido, el volumen de aire sombreado en color rojo no tiene absolutamente ninguna información sobre la perturbación que está causando el objeto en movimiento. Sin embargo, dentro de la región verde, la perturbación en el fluido ocurrió con información previa. Cuando los fluidos perturbados interactúan repentinamente con partículas de fluido en la región roja que no tienen información sobre lo que está sucediendo, se forma una onda de choque en la frontera.
Las ondas de choque pueden ser perjudiciales para el cuerpo humano. Sin embargo, a pesar de que estas ondas de alta presión son desastrosas, también representan una oportunidad. Usando el concepto de la onda de choque, entendamos cómo funciona un motor ramjet.
Cómo funciona el motor ramjet
El motor ramjet tiene una geometría muy simple, con solo tres partes principales: una región de difusor en la entrada, una cámara de combustión en el medio y una tobera en la salida. La función del difusor es aumentar la presión y temperatura del aire. El motor ramjet solo funciona en condiciones supersónicas.
Como el flujo es supersónico, los científicos ajustaron el concepto de onda de choque para aumentar la presión en el difusor. Desde múltiples puntos de este objeto cilíndrico se generan ondas de choque, y cuando se agrupan, se forma algo interesante: en la entrada, se forma una región cónica sin ninguna onda de choque efectiva, lo que crea una región de baja presión. Además, se genera un muro cónico a alta presión en la región de entrada.
En el resto del volumen, se forma una forma parecida a una flor. Si aumentamos el número de conos, esta forma llenará toda el área. La generación de conos de choque desde el borde del círculo es infinita, lo cual es válido para cualquier longitud. Después de que se forma el cono inicial vacío, se forma automáticamente un volumen grueso de aire a alta presión y temperatura dentro del cilindro. En resumen, esto forma una compresión automática del aire mediante el efecto de las ondas de choque. Esto se conoce como el efecto Ram.
Este aire a alta presión y temperatura puede crear combustión eficaz en la cámara de combustión. El hidrógeno se utiliza comúnmente como combustible para los motores ramjet. La cámara de combustión aumenta aún más la temperatura del gas y la velocidad del fluido. Según la tercera ley de Newton, cuanto mayor sea la velocidad del chorro de escape, mayor será el empuje que el cohete obtendrá.
Para aumentar aún más la velocidad del chorro, se agrega una tobera convergente-divergente en la salida. Aunque este arreglo de difusor simple logra un aumento de presión muy alto, si la presión de combustión excede los límites, se soplará la onda de choque frontal y se escapará aire comprimido alrededor de la parte frontal del tubo. Este escape limita la velocidad del motor ramjet a 1,2 Mach.
Los científicos no se detuvieron ahí y mejoraron aún más el efecto Ram mediante un cuerpo interno aerodinámicamente diseñado. En esta nueva geometría, podemos observar que el área asignada para el aire disminuye a lo largo del flujo supersónico. Cuando el área disminuye, la presión aumenta. En los motores ramjet, la mayoría del aumento de presión ocurre debido al efecto de la onda de choque y al concepto de la onda de choque oblicua.
Cuando el aire golpea la nariz del cuerpo interno, se desvía con un ángulo formando una onda de choque oblicua. Esta onda de choque oblicua golpea el tubo externo, se desvía varias veces y finalmente se termina por una onda de choque normal. Con este método, no ocurre escape de aire y los científicos lograron alcanzar un número de Mach alto para el motor ramjet.
El diseño de la cámara de combustión y la eficiencia del motor ramjet
La velocidad del flujo de aire a través del motor ramjet es tan alta que la mezcla de combustible se completa en menos de cinco milisegundos. Para lograr la mezcla completa del combustible, se utiliza un dispositivo llamado «air flame holder» que ayuda a mantener la combustión continua y evita que la llama se apague.
Los motores ramjet son más eficientes en el rango de velocidad de Mach 3 a Mach 6. A velocidades bajas, el empuje no es suficiente para superar la resistencia y el motor ramjet no es viable en estas condiciones. Por eso, el misil BrahMos utiliza propulsores sólidos para alcanzar velocidades supersónicas.
Esperamos que hayas disfrutado aprendiendo sobre la fascinante tecnología de los motores ramjet. ¡Nos vemos la próxima vez!
