La revolución de los viajes hipersónicos que lleva cociéndose a fuego lento desde hace años tiene requiere de nuevas tecnologías en dos sectores clave: los materiales que resistan las altísimas temperaturas que se alcanzan volando a más de 6.000 km/h y los motores capaces de catapultar las aeronaves hasta ese rango de velocidad. En el primer campo existen varias iniciativas muy avanzadas, con China y Estados Unidos aventajados respecto al resto del mundo. Un escenario muy similar ocurre con los propulsores, aunque en este último aspecto queda muchísimo más que diseñar, desarrollar y, por supuesto, probar.
Más allá de las aplicaciones comerciales para conectar dos ciudades en aviones, existe una vertiente militar que tiene igualmente un peso muy importante a la hora de ejecutar los programas de investigación. Por ejemplo, en la rama armamentística en la que China ya demostró hace un par de años que es capaz de mantener un misil hipersónico volando alrededor de la Tierra sin que nadie se percate de ello. También en la construcción de aeronaves —tripuladas o drones— para ejecutar ataques más rápido que nadie y sin ser detectados por los radares.
Es ahí donde entran en juego los nuevos motores de detonación rotativos que ambos países se encuentran desarrollando en una compleja carrera que combina tecnológica. Por el momento, y al ser considerados desarrollos secretos, se desconoce qué país va por delante, lo único claro es la ambición de protagonizar un cambio de paradigma en el sector aeroespacial en los próximos años.
Propulsor de detonación con rotación
Como suele ser habitual, es más probable que comiencen a integrar este tipo de propulsores en misiles o vehículos aéreos no tripulados con el fin de madurar lo suficiente la tecnología. Aunque todo apunta que el objetivo último de todos estos programas de investigación será impulsar aeronaves, tanto civiles como militares y en cualquiera de sus formas.
China: "el más potente"
Un grupo de científicos del Instituto de Maquinaria Eléctrica de Pekín, liderado por Zhang Yining, ha publicado un paper en la Revista China de Tecnología de Propulsión detallando un nuevo motor de detonación. Se trata, según recogen en SCMP, del "más potente y revolucionario" jamás creado gracias a un sistema de funcionamiento dual.
La primera etapa comprende desde que la aeronave sale desde la pista de un aeropuerto hasta que alcanza 7 veces la velocidad del sonido (Mach 7, equivalente a 8.600 km/h). En ese intervalo el propulsor funciona como un motor de detonación rotativa continua, por el cual el aire exterior se mezcla con el combustible y se enciende para crear una onda de choque que se propaga en una cámara anular.
La onda de choque generada, tal y como explican, enciende a su vez más combustible durante la rotación, proporcionando un empuje potente y constante a la aeronave. Es el equivalente a crear una detonación controlada a gran escala y mantenerla en el tiempo alimentándola con combustible.
Por encima de Mach 7, la onda de choque deja de ser giratoria y concentra su potencia en una plataforma circular en la parte trasera del motor. Con esto consigue mantener el empuje con una detonación oblicua formando casi una línea recta. El combustible se detona automáticamente cuando llega a esa plataforma debido a la gran velocidad con la que entra el aire. "Durante su funcionamiento, el motor depende de la detonación como su principal fuerza motriz".
Corte del diseño de un motor de detonación rotativo
El equipo de investigadores no aclara la eficiencia de este motor en su paper. Sin embargo, algunas estimaciones científicas anteriores indican que casi se podría alcanzar el 80%. Un dato extraordinario dado que el mismo parámetro en los motores de los aviones a reacción actuales oscila entre el 20 y el 30%. La teoría también a punta a que el techo de vuelo de la aeronave se situará alrededor de los 30 km de altitud —más del doble de lo que vuelan los aviones comerciales actuales— y la capacidad de alcanzar Mach 16 (19.700 km/h), suficiente para llegar a cualquier punto del planeta desde Madrid en una hora o menos.
"Esta solución tiene ventajas obvias y se espera que mejore la eficiencia óptima del ciclo termodinámico en casi todos los rangos de velocidad, generando un cambio revolucionario en la propulsión aeroespacial", señalan los investigadores. La parte militar ha estado representada por una unidad del Ejército Popular de Liberación chino, con sede también en Pekín. Sólo se conoce que ha estado involucrada en la parte de diseño del motor, aunque no ha trascendido más información.
El equipo de Zhang comentó que la transición entre los dos nuevos modos de propulsión del motor se ha convertido en un desafío tecnológico. "A medida que la velocidad se acercaba a Mach 7, el modo de detonación giratorio se volvía inestable y el modo de detonación oblicua tenía que encenderse en poco tiempo". Una de las soluciones que plantean es rebajar esa transición cuando la aeronave viaje a unas 4 veces la velocidad del sonido (Mach 4).
La prueba estadounidense
Al otro lado del océano Pacífico, Estados Unidos también se encuentra inmersa en plena efervescencia tecnológica de los motores de detonación. Lo último que ha trascendido corre a cargo de General Electric Aerospace, que acaba de demostrar el funcionamiento de su particular propulsor hipersónico basado también en la combustión por detonación giratoria.
Prueba de motor de detonación de rotación
GE Aerospace anunció hace un par de semanas "lo que se cree que es la primera prueba de plataforma hipersónica dual de estratorreactor combinada con combustión de detonación rotativa en una corriente de flujo supersónico". La compañía estadounidense ya ha examinado un prototipo de propulsor en un banco de pruebas e inmerso en una corriente de aire supersónica.
Un estratorreactor tradicional sólo puede comenzar a funcionar cuando el vehículo alcanza velocidades supersónicas superiores a Mach 3, según explican desde GE Aerospace. Los ingenieros de la compañía están trabajando en un propulsor de detonación rotativa que es capaz de operar a números más bajos de Mach, lo que permite que el vehículo opere de manera más eficiente y tenga un mayor alcance.
Este modo de combustión por detonación también "permite una mayor generación de empuje, con un tamaño y peso más pequeños", según explican. Lo consigue basándose exactamente en el mismo principio que los científicos chinos: a través de ondas de detonación en lugar de la combustión estándar que impulsa a los motores a reacción tradicionales.
GE Aerospace pretente probar un motor de este tipo completo y a escala este próximo 2024 con el fin de avanzar en la tecnología. La compañía también está trabajando en el campo de los materiales resistentes a las velocidades hipersónicas, así como en la electrónica asociada.