¿Qué es un dispositivo de poscombustión? ¿Cómo funciona?

¿Has visto alguna vez la llama que a veces aparece en la parte trasera de un avión? Eso es un poscombustión, y se usa cuando un avión a reacción necesita empuje adicional.

Pero, ¿qué es exactamente un dispositivo de poscombustión, cómo se usa y cómo serán los dispositivos de poscombustión en el futuro? Abróchense los cinturones de seguridad; estamos a punto de sumergirnos profundamente en el mundo de los dispositivos de poscombustión para motores a reacción.

¿Qué es un dispositivo de poscombustión?

Un dispositivo de poscombustión (también conocido como «recalentamiento» por nuestros amigos británicos) es un dispositivo agregado a algunos motores a reacción y utilizado principalmente en aviones militares supersónicos. El propósito del dispositivo de poscombustión es aumentar drásticamente el empuje, generalmente para situaciones de vuelo, despegue y combate supersónicos.

Para lograr la postcombustión, se inyecta combustible adicional en la tubería de chorro aguas abajo (es decir, hacia la parte trasera) de la turbina. La poscombustión produce una cantidad más significativa de empuje sin la necesidad de aumentar la potencia total del motor tradicionalmente (por ejemplo, haciendo que el motor sea más grande). Las desventajas, como el alto consumo de combustible y la ineficiencia, generalmente se consideran una compensación aceptable por los períodos cortos en que se emplea.

Los motores a reacción se indican como húmedos cuando tienen postcombustión y secos cuando no tienen postcombustión. El término «potencia máxima» significa que un motor produce el empuje máximo en húmedo (con posquemador), y «potencia militar» significa que un motor produce el empuje máximo en seco (sin posquemador).

¿Cómo funciona un dispositivo de poscombustión?

Para comprender cómo funciona un dispositivo de poscombustión, debemos tener una comprensión básica de cómo los motores a reacción producen empuje.

Un motor a reacción produce empuje basado en la tercera ley de movimiento de Newton, que establece que para cada acción, hay una reacción igual u opuesta. En otras palabras, cuanta más fuerza pueda producir un motor a reacción, más empuje tendrá. Un motor a reacción produce esta fuerza a través de la aceleración del aire que lo atraviesa.

Hay dos formas en que un motor a reacción puede producir más empuje:

• Acelerar el aire a una velocidad mayor
• Aceleración de una mayor masa de aire del motor.

Un motor turboventilador está diseñado en torno al segundo principio y expulsa aire más lentamente pero en mayor cantidad. Los turboventiladores están diseñados para la eficiencia del combustible y un alto empuje durante períodos prolongados, pero la contrapartida es que deben ser grandes en comparación con la cantidad de empuje máximo que pueden producir.

Aquí es donde el dispositivo de poscombustión viene al rescate. Los posquemadores generan una mayor cantidad de empuje al acelerar la masa de aire que pasa a través del motor, sin necesidad de aumentar el tamaño del motor.

Esta rápida aceleración del aire se logra inyectando combustible en una sección extendida de la tobera de escape. Este combustible se enciende mediante encendedores ubicados en la sección de la boquilla y, como resultado, el aire acelera rápidamente. Un motor a reacción normal generalmente solo usa la mitad del oxígeno que toma, por lo que hay mucha más energía potencial disponible. El dispositivo de poscombustión enciende gran parte de este oxígeno no utilizado después de mezclarlo con combustible.

Esta sección de boquilla generalmente se expande mecánicamente para adaptarse al aumento significativo de velocidad y volumen. Esto evita posibles paradas del compresor causadas por la inversión de la dirección del aire y el reencendido.

Las limitaciones de los dispositivos de poscombustión

Los postquemadores son una excelente manera de agregar más empuje a un motor a reacción, pero tienen algunas limitaciones.

La desventaja más significativa de los postquemadores es el alto consumo de combustible. Los postquemadores usan mucho combustible, lo que puede ser un problema para los aviones militares que necesitan permanecer en el aire durante largos períodos de tiempo.

Otra desventaja de los postquemadores es que no son muy eficientes. Debido a que los postquemadores inyectan combustible en la boquilla de escape, se desperdicia mucha energía del combustible quemado. Esto disminuye significativamente su eficiencia general.

El alcance del aumento en el empuje difiere. Los dispositivos de poscombustión de los motores Olympus que impulsaron el jet supersónico Concorde solo aumentaron el empuje en un mero 17 por ciento. El aumento de empuje en los aviones militares modernos a menudo oscila entre aproximadamente el 40 y el 70 por ciento (con un aumento significativo en el consumo de combustible).

Finalmente, el uso de un dispositivo de poscombustión también puede provocar que el motor se detenga. Cuando el flujo de aire cambia de dirección, puede hacer que las paletas del compresor del motor se detengan. Normalmente, esto se evita expandiendo la sección de la tobera de escape a medida que aumenta el empuje, pero esto agrega peso y complejidad al motor.

Debido a que usan mucho combustible, los posquemadores solo se usan cuando se necesita mucho empuje durante un período corto. Los postquemadores se usan comúnmente cuando un avión despega de una pista corta, se lanza desde un portaaviones o durante el combate aéreo. El motor Pratt & Whitney J58 es una notable excepción; se usó en el SR-71 Blackbird y permitió el uso prolongado de su dispositivo de poscombustión. Esto hizo que el reabastecimiento de combustible en vuelo fuera obligatorio para cada misión de reconocimiento.

¿Qué son los anillos en un dispositivo de poscombustión?

Los postquemadores producen una llama muy grande en la parte trasera del avión. Esta llama de escape puede mostrar diamantes de choque, que son causados ​​por ondas de choque. Estas ondas de choque se producen debido a pequeñas diferencias entre la presión de escape y la presión ambiental. El diámetro de la llama de escape fluctúa debido a estos desequilibrios, y esto provoca la formación de bandas visibles donde la presión y la temperatura son más intensas.

La historia de los postquemadores

El 11 de abril de 1941 tuvo lugar el primer vuelo del motorjet Caproni Campini CC2, el primer avión diseñado con postcombustión.

A fines de 1944, una de las primeras versiones británicas del dispositivo de poscombustión (conocido como «recalentamiento») comenzó las pruebas de vuelo en un Gloster Meteor, el primer caza a reacción construido por los aliados y el único caza a reacción aliado que entró en combate durante la Segunda Guerra Mundial.

La investigación de postcombustión en los Estados Unidos comenzó poco después en Cleveland, Ohio, por el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA se disolvió e integró en la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en 1958).

Los desarrollos en la década de 1950 llevaron a la creación de varios grandes motores de poscombustión, como el Orenda Iroquois y el británico de Havilland Gyron. Las variantes Rolls-Royce Avon RB.146 impulsaron el English Electric Lightning, el primer avión supersónico utilizado por la RAF. Los postquemadores del Bristol-Siddeley Rolls-Royce Olympus fueron un esfuerzo conjunto de Bristol Siddeley y Solar de San Diego. Sin embargo, el sistema de poscombustión del Concorde fue desarrollado únicamente por Snecma.

Los postquemadores no se usan comúnmente en aviones civiles, con algunas excepciones, como algunos aviones de investigación de la NASA, el Tupolev Tu-144 y el Concorde.

Concorde voló notablemente largas distancias a velocidades supersónicas. El uso del dispositivo de poscombustión no ahorra combustible, por lo que es imposible volar a altas velocidades durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, el uso de un postquemador durante el despegue y el ascenso permite que la aeronave acelere rápidamente y reduce el tiempo empleado en el régimen de vuelo transónico de baja velocidad y alta resistencia. Volar supersónicamente sin postcombustión se conoce como «supercrucero».

El futuro de los postquemadores

Incluso cuando el dispositivo de poscombustión no está activado, las ondas de radar que ingresan por el tubo de escape abierto reflejarán las señales de radar, lo que podría revelar la posición de la aeronave al enemigo. Sin mencionar que las emisiones infrarrojas de un postquemador activado y su boquilla son prácticamente imposibles de ocultar. Como tal, muchos de los primeros aviones sigilosos desecharon el diseño de postcombustión en favor de un sistema de escape más sigiloso.

El turboventilador, que mezcla aire frío con los gases de escape de la turbina, ayuda a reducir la firma, pero no lo suficiente como para usarlo durante las operaciones sigilosas.

Los diseños futuros de aeronaves con boquillas de poscombustión que se enfrían con aire de derivación pueden enmascarar las emisiones infrarrojas del escape. Los ingenieros también están investigando materiales de construcción que puedan absorber el calor, de forma similar a cómo funcionan las placas térmicas del transbordador espacial, así como otros diseños de motores que harían que los postquemadores fueran más sigilosos.

Sin embargo, es imposible ocultar por completo una corriente de aire caliente procedente de la parte trasera de un avión de combate. Actualmente, el único método viable para mantener el sigilo es reducir la dependencia de la aeronave de los dispositivos de poscombustión. Por ejemplo, el F-22A puede navegar a aproximadamente 1,5 Mach (una vez y media la velocidad del sonido) sin encender su dispositivo de poscombustión.

Los ingenieros de aviación predicen que los postquemadores se seguirán utilizando hasta bien entrado el siglo XXI. No solo se usan comúnmente para despegues de portaaviones, sino que la velocidad adicional también es útil en situaciones de combate. Siempre que los pilotos militares necesiten una ráfaga adicional de potencia, los postquemadores parecen ser la mejor solución.

Conclusión

Los dispositivos de poscombustión son una característica de muchas aeronaves de propulsión a chorro. Proporcionan una explosión adicional de velocidad y potencia que se utiliza principalmente en entornos militares. Aunque no son tan eficientes en combustible como otras formas de propulsión, los postquemadores siguen siendo una opción popular para los diseñadores de aeronaves.

Los ingenieros de aviación predicen que los postquemadores se seguirán utilizando hasta bien entrado el siglo XXI. Sin embargo, con los últimos avances en tecnología sigilosa, los postquemadores pueden eventualmente ser reemplazados por alternativas más eficientes. Sin embargo, hasta entonces, los postquemadores siguen siendo una herramienta vital para los aviones a reacción.