Motor de detonación por pulsos, el reemplazo de los turboreactores

Nuevo motor PDE de la NASA

Las explosiones podrían impulsar a las aeronaves del futuro. Conozcamos estos motores que con nuevas técnicas buscan mejorar el empuje y la economía de combustible.

"El salto en la tecnología desde la hélice al motor de jet fue grande. El próximo paso podría ser aún mayor”. Este comentario sobre el PDE (Pulse Detonation Engine) no viene de una teoría o de un entusiasta alocado. Pratt & Whitney, en 2001, sin hacer mucho ruido, adquirió la división PDE de Adroit Systems, una pequeña compañía que ha hecho más investigación que nadie sobre el concepto, y está trabajando intensivamente en el diseño de PDEs.

Boeing se involucró con el trabajo de P&W, y una presentación de la compañía dice que los PDE tendrán un tercio de las partes de un motor de turbina de tamaño similar, que será producido con tecnología tipo automotriz, y que será fácil de integrar a las formas furtivas de las aeronaves.
Una patente registrada por la General Electric describe un motor híbrido mezcla entre Turbina-PDE que podría llevar un vehículo desde un despegue de una pista hasta ponerlo en órbita. La tecnología PDE podría incluso ser construída en motores jet subsónicos convencionales, mejorando su eficiencia en un 15%. Un gran mejoramiento teniendo en cuenta que se invierten billones para recortar el gasto de combustible quemado en un 3%.

DARPA está hablando sobre pequeños PDE para misiles y drones, de unas pocas pulgadas de diámetro. De acuerdo con un reporte, un millonario empresario del punto-com está investigando sobre el PDE, para que sea una vía de enviar turistas al espacio.

Los PDE tuvieron su momento de fama en la subcultura de los entusiastas de los proyectos secretos en principios de los 90, cuando se los asoció a estelas en el cielo que parecían “arandelas en una soga”, vistas y fotografiadas en los cielos de Estados Unidos.

Una estela en el cielo que parecen arandelas en una soga

¿Qué es un motor de detonación por pulsos?

Si bien se basa en principios similares a un jet normal, el PDE (Pulse Detonation Engine) tiene una diferencia fundamental, y es que detona la mezcla aire/combustible en vez de solamente hacer una simple deflagración (un quemado vigoroso).

Detonación versus Deflagración

Deflagración es lo que ocurre cuando se quema una mezcla de aire y combustible a una razonable baja presión. El sonido tipo "woof" que se oye cuando encendemos algún líquido inflamable como ser la nafta es debido a una delfagración. La deflagración es, crease o no, un proceso relativamente suave en el cual simplemente hay un quemado rápido del combustible. Cuando hacemos que una mezcla aire/combustible se deflagre en un espacio semi-cerrado (Como es un motor jet ó incluso un motor de automóvil) se genera una cierta presión que puede ser utilizada para realizar algún trabajo. Ejemplo: crear empuje ó hacer girar un cigüeñal.

Uno de los atributos primarios de la deflagración es que la llama viaja a velocidades significantemente menores que la del sonido. La detonación entonces genera una reacción bastante mas poderosa al mezclar aire/combustible lo que resulta en una rápida reacción en la que se crean ondas de presión que viajan a velocidades supersónicas.

En efecto, la detonación es una violenta explosión y ésta crea presiones mucho mas altas que el proceso de simple quemado de la deflagración. Obviamente, cuando buscamos producir empuje, lo mejor que podríamos hacer sería generar la mayor presión posible en el motor. Es por eso que los investigadores están tratando de construir pulsojets que detonen la carga de combustible en vez de solo quemarla en una reacción de deflagración.

Convirtiendo una Deflagración en Detonación

Entonces ¿cómo hacemos para convertir una relativamente suave reacción de deflagración en una detonación? Un componente importante que dispara una detonación es la presión. Es mucho más fácil detonar una mezcla de aire y combustible si ésta es muy comprimida antes (o durante) el proceso de ignición. Desafortunadamente, los motores jet convecionales no crean la suficiente presión para producir una detonación. De hecho el nivel de compresión de estos motores es bastante bajo. ¿Entonces como lo hacen? Los detalles exactos de muchos diseñadores de PDE actualmente en desarrollo son bastante poco conocidos. Principalmente porque ven un potencial
económico extremadamente alto. Las compañías involucradas en estos proyectos no dan demasiados detalles sobre lo que hacen.

De todas formas, de la poca información publicada, la mayoría de los diseños están usando un proceso de ignición de dos etapas para lograr la detonación. Una vez que la carga de aire-combustible ingresa en la cámara de combustión, una pequeña cantidad de un combustible muy volátil (como el hidrógeno) y un oxidante (como el oxígeno) son inyectados en una cámara disparadora en el extremo cerrado de la cámara de combustión. Ésta mezcla entonces es encendida por una poderosa descarga de corriente eléctrica, que la hace detonar y la fuerza a través de unos pasajes cuidadosamente diseñados lo cuales crean turbulencia en la mezcla mientras ésta se quema.

Algunas veces a esos tubos se los llama "Tubos DDT" (Deflagration to Detonation Transition - Transición de Deflagración a Detonación) y su función es forzar a la carga a quemarse a un régimen que crea ondas de choque supersónicas. Una vez detonada, la pequeña carga en la cámara disparadora crea una poderosa onda de choque, que luego golpea a la carga principal de aire/combustible en la cámara de combustión secundaria del motor. Puede sonar extraño que sea posible comprimir el gas en un tubo que tiene uno de sus extremos abiertos. Pero la increíble velocidad de la onda de la detonación hace que el aire/combustible simplemente no tenga chance de ser empujado fuera del tubo antes de comprimirse.

Ciclo de la onda de un PDE

Todo esto suena simple en teoría, pero hay un número de problemas prácticos a resolverse antes de que un PDE realmente operativo pueda construirse. Uno de ellos serían las válvulas. Si se tratara de usar las mismas frágiles válvulas cuando se detona el aire/combustible éstas se destruirían instantáneamente. Para solucionar esto, algunos diseños de los PDE existentes utilizan robustas válvulas rotativas. Pero esto requiere un sistema de sincronización sofisticado para asegurar que las válvulas abran y cierren exactamente en el momento correcto.

Otro problema con los PDE en este estado de desarrollo es que deben ser capaces de inyectar y detonar la carga disparadora exactamente en el momento adecuado para producir la detonación de la carga principal de aire/combustible. Si lo hacen antes, no será capaz de proveer una buena explosión, y en cambio si ocurre tarde, la mezcla ya estaría saliendo de la cámara.

Por último sólo voy a mencionar un par de problemas mas que faltan resolver, como ser la integridad estructural por vibración, y el alto nivel de ruido que producen.

Uno de los participantes clave en el desarrollo de los PDE es la NASA la cuál está invirtiendo un poco mas que su tiempo en estos motores (arriba se puede ver el video de uno).

Esquema del funcionamiento de un motor PDE

Rusia tampoco quiere quedarse atrás, ha hecho una demostración en 2007 de un motor de detonación por pulsos (PDE) con baja energía de ignición y un impulso específico de 800 segundos en condiciones estáticas, casi la mitad comparado con un motor de hidrocarburo a Mach 2.

La demostración tuvo lugar en el Instituto Semenov de Química Física por la Russian Academy of Sciences, utilizando un tubo predetonador con un mecanismo de aumento de turbulencia conocido como espiral Shelkin. El combustible era una mezcla de hexano y heptano.

El diseño del predetonador permite la detonación a un nivel bajo de energía de 24 julios, comparados con los 3.300 requeridos en un tubo normal; pero en el encendido en frío requiere un total de 130 julios.

La demostración de Rusia consistía en una cámara de ignición, un tubo predetonador, otro para la ignición en frío, y el tubo de detonación principal, de sección mayor. La frecuencia de máxima de operación es de 8Hz. El empuje máximo medido en el tubo principal fue de 6,7lb (30N).

Los problemas que han de resolverse para ponerlo en práctica son incrementar el impulso específico optimizando la longitud del tubo de detonación principal, y estabilizar la frecuencia de operación de manera que pueda soportar la quema del keroseno en lugar de combustibles volátiles como el hexano y el heptano.

La investigación de Frolov ha sido parcialmente financiada por la Oficina de Investigación Naval de EEUU, el Centro Internacional de Ciencia y Tecnología, y la Fundación Rusa de Investigación Básica.