Los motores de detonación rotativa (RDE) han sido objeto de teoría y especulación durante décadas, pero aún no han pasado de la teoría a la aplicación práctica. Pero ahora, parece que estos exóticos sistemas de propulsión están a punto de dar el salto a las plataformas operativas.
En teoría, un motor de detonación rotativa promete ser mucho más eficiente que los motores a reacción tradicionales, lo que podría proporcionar a las aplicaciones de misiles un gran impulso en cuanto a alcance y velocidad. Esto también podría significar el despliegue de armas más pequeñas capaces de alcanzar las mismas velocidades y alcances que los misiles actuales.
En las aplicaciones aeronáuticas, como los cazas, los motores de detonación rotativa podrían ofrecer ventajas similares a las de los misiles en términos de alcance y velocidad, al tiempo que podrían reducir las necesidades de mantenimiento. Los cazas, en particular, dependen de los postcombustiones, que lanzan combustible en la corriente de escape del motor para aumentar el empuje. Esto agota rápidamente las reservas de combustible y reduce la autonomía del caza. Los RDEs podrían permitir un aumento similar de empuje con una reducción drástica de combustible.
Pero donde esta tecnología podría ser más útil es en la propulsión de los futuros buques de superficie no nucleares de la Armada, proporcionando una mayor producción de energía, alcance y velocidad, a la vez que tendría un impacto muy beneficioso en los resultados presupuestarios de la Armada.
Aprovechar el poder de la detonación
El concepto de los motores de detonación rotativa se remonta a la década de 1950. En Estados Unidos, Arthur Nicholls, profesor emérito de ingeniería aeroespacial de la Universidad de Michigan, fue uno de los primeros en intentar desarrollar un diseño de RDE que funcionara.
En cierto modo, un motor de detonación rotativo es una extensión del concepto de los motores de detonación por impulsos (PDE), que son, en sí mismos, una extensión de los pulsejets. Esto puede parecer confuso (y tal vez lo sea), pero vamos a desglosarlo.
Los motores pulsejet funcionan mezclando aire y combustible dentro de una cámara de combustión y, a continuación, encendiendo la mezcla para que salga disparada por una tobera en forma de pulsos rápidos, en lugar de una combustión constante como la que se puede encontrar en otros motores a reacción.
En los motores de chorro pulsado, como en casi todos los motores de combustión, el encendido y la combustión de la mezcla de aire y combustible se denomina deflagración, que básicamente significa calentar una sustancia hasta que se queme rápidamente, pero a velocidades subsónicas.
Un motor de detonación por impulsos funciona de forma similar, pero en lugar de aprovechar la deflagración, utiliza la detonación. En un nivel fundamental, la detonación es muy parecida a lo que suena: una explosión.
Mientras que la deflagración se refiere a la ignición y la combustión subsónica de la mezcla de aire y combustible, la detonación es supersónica. Cuando el aire y el combustible se mezclan en un motor de detonación por impulsos, se encienden, creando una deflagración como en cualquier otro motor de combustión. Sin embargo, dentro del tubo de escape más largo, una potente onda de presión comprime el combustible no quemado antes de la ignición, calentándolo por encima de la temperatura de ignición en lo que se conoce como la transición de deflagración a detonación (DDT). En otras palabras, en lugar de quemar rápidamente el combustible, éste detona, produciendo más empuje con la misma cantidad de combustible; una explosión, en lugar de una combustión rápida.
“El proceso de detonación es una extracción de energía más rápida y eficiente del combustible desde un punto de vista termodinámico en comparación con la deflagración”, dijo el Dr. Chris Combs, profesor de ingeniería hipersónica y aeroespacial de Dee Howard, a Sandboxx News.
Las detonaciones siguen produciéndose en pulsos, como en un chorro de pulsos, pero un motor de detonación de pulsos es capaz de propulsar un vehículo a velocidades más altas, que se cree que están en torno a Mach 5. Como la detonación libera más energía que la deflagración, los motores de detonación son más eficientes, ya que producen más empuje con menos combustible, lo que permite cargas más ligeras y mayores alcances.
La onda de choque de la detonación viaja mucho más rápido que la onda de deflagración que aprovechan los motores a reacción actuales, explicó Trimble: hasta 2.000 metros por segundo (4.475 millas por hora) en comparación con los 10 metros por segundo de la deflagración.
En mayo de 2008, el Laboratorio de Investigación de las Fuerzas Aéreas hizo historia al construir la primera aeronave del mundo propulsada por detonación pulsante con tripulación, utilizando un avión de construcción casera de Scaled Composites llamado Long-EZ. El insólito avión-franco logró una velocidad superior a 120 millas por hora durante su vuelo de prueba, con el piloto de pruebas Pete Siebold al mando, y alcanzó altitudes de entre 60 y 100 pies.
“El Director de Propulsión de la AFRL, Fred Schauer, dijo que el PDE que impulsa al Long-EZ podría cambiar las reglas del juego en términos de eficiencia de combustible”.
“A modo de comparación, si hubiéramos utilizado este mismo motor con combustión convencional, habríamos conseguido menos de un tercio del empuje con el mismo consumo de combustible”. “En comparación con los motores tradicionales, cabría esperar un ahorro de combustible de entre el 5 y el 20 por ciento”.
Las Fuerzas Aéreas evaluaron en su momento que las mejoras de su motor PDE podrían llegar a propulsar aviones a velocidades superiores a Mach 4, y mayores si se combinaban con otros sistemas de propulsión avanzados como los scramjets.
Un motor de detonación rotativa podría ser aún más eficaz, pero muchos en las comunidades académicas y de ingeniería se cuestionan si un motor así podría llegar a construirse.
Surge el motor de detonación rotativa
Un motor de detonación giratorio lleva este concepto al siguiente nivel. En lugar de que la onda de detonación salga por la parte trasera de la aeronave a modo de propulsión, se desplaza por un canal circular dentro del propio motor.
El combustible y los oxidantes se añaden al canal a través de pequeños agujeros, que luego son golpeados y encendidos por la onda de detonación que gira rápidamente. El resultado es un motor que produce un empuje continuo, en lugar de un empuje en pulsos, al tiempo que ofrece la eficiencia mejorada de un motor de detonación. Muchos motores de detonación rotativa tienen más de una onda de detonación que rodea la cámara al mismo tiempo.
Como explica el editor de Defensa de Aviation Week & Space Technology, Steve Trimble, los RDEs ven aumentar la presión durante la detonación, mientras que los motores a reacción tradicionales ven una pérdida total de presión durante la combustión, ofreciendo una mayor eficiencia. De hecho, los motores de detonación rotativa son incluso más eficientes que los motores de detonación por impulsos, que necesitan que la cámara de combustión sea purgada y rellenada para cada impulso.
“En teoría, el RDE es un poco como el salto de los turborreactores a los turboventiladores en los años 60, pero para los vehículos supersónicos. Debería dar un gran salto en el impulso específico (es decir, en la eficiencia del combustible), y si se puede averiguar cómo empaquetarlo de manera que no haga las cosas significativamente más pesadas o menos aerodinámicas, se debería poder obtener un buen aumento de la autonomía”, explicó Trimble.
En 2020, un equipo de la Universidad de Florida Central, en colaboración con el Programa de Motores de Detonación Rotativa del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, construyó y probó con éxito el primer motor de detonación rotativa del mundo que seguía disparando hasta que se le cortaba el combustible, demostrando así que el concepto era posible. El banco de pruebas de cobre de tres pulgadas desarrollado por el equipo produjo con éxito 200 libras de empuje en condiciones de laboratorio.
Desde entonces, otros programas han seguido su ejemplo, y el conocido fabricante de motores Pratt and Whitney es uno de los que lidera la iniciativa.