Pulso a reacción

En 1934, Georg Hans Madelung y Paul Schmidt, afincado en Múnich, propusieron al Ministerio del Aire alemán una «bomba volante» propulsada por el motor de pulsorreactor de Schmidt. El Ministerio del Aire alemán rechazó el prototipo de bomba de Schmidt por falta de interés táctico y por considerarlo técnicamente dudoso. El diseño original de Schmidt contemplaba la colocación del motor de pulsorreactor en el fuselaje, como en un caza a reacción moderno, a diferencia de la posterior V-1, cuyo motor se ubicaba sobre la ojiva y el fuselaje. ^{[ 11 ]}

La compañía Argus comenzó a trabajar basándose en el trabajo de Schmidt. Otros fabricantes alemanes que trabajaban en pulsorreactores y bombas volantes similares eran la compañía Askania , Robert Lusser de Fieseler , el Dr. Fritz Gosslau de Argus y la compañía Siemens , que se unieron para trabajar en el V-1. ^{[ 9 ]}

Con Schmidt trabajando ahora para Argus, el motor de pulsorreactor se perfeccionó y se conoció oficialmente por su designación RLM como Argus As 109-014. El primer lanzamiento sin propulsión tuvo lugar en Peenemünde el 28 de octubre de 1942, el primer vuelo con propulsión el 10 de diciembre de 1942 y el primer lanzamiento con propulsión el 24 de diciembre de 1942. ^{[ 12 ]}

El pulsorreactor se evaluó como un excelente equilibrio entre costo y función: un diseño simple que funcionaba bien a un costo mínimo. ^{[ 9 ]} Podía funcionar con cualquier tipo de petróleo y el sistema de obturador de ignición no estaba diseñado para durar más allá de la vida útil normal de vuelo operativo del V-1 de una hora. Aunque generaba un empuje insuficiente para el despegue, el reactor resonante del V-1 podía funcionar mientras estaba estacionario en la rampa de lanzamiento. El diseño resonante simple basado en la relación (8,7:1) entre el diámetro y la longitud del tubo de escape funcionaba para perpetuar el ciclo de combustión y alcanzaba una frecuencia de resonancia estable de 43 ciclos por segundo . El motor producía 2200 N (490 lb _f ) de empuje estático y aproximadamente 3300 N (740 lb _f ) en vuelo. ^{[ 9 ]}    

El encendido del Argus As 014 se realizaba mediante una única bujía automotriz, ubicada aproximadamente a 75 cm (30 pulgadas) detrás del conjunto de válvulas frontal. La chispa solo se activaba durante la secuencia de arranque del motor; el Argus As 014, al igual que todos los motores de pulsorreactor, no requería bobinas de encendido ni magnetos , ya que la fuente de ignición era la cola de la bola de fuego que lo precedía durante la carrera. La carcasa del motor no proporcionaba suficiente calor para provocar la ignición del combustible tipo diésel , dado que la compresión dentro de un motor de pulsorreactor es mínima.   

El conjunto de válvulas Argus As 014 se basaba en un sistema de obturador que funcionaba a 47 ciclos por segundo. ^{[ 12 ]}

Tres boquillas de aire en la parte delantera del Argus As 014 se conectaron a una fuente externa de alta presión para arrancar el motor. El combustible utilizado para la ignición fue acetileno , por lo que los técnicos tuvieron que colocar un deflector de madera o cartón en el tubo de escape para evitar que el acetileno se difundiera antes de la ignición completa. Una vez que el motor se encendió y se alcanzó la temperatura mínima de funcionamiento , se retiraron las mangueras y conectores externos.

El V-1, al ser un misil de crucero, carecía de tren de aterrizaje; en su lugar, el Argus As 014 se lanzaba desde una rampa inclinada impulsada por una catapulta de vapor accionada por pistón . La energía de vapor para impulsar el pistón se generaba mediante la violenta reacción química exotérmica que se produce al combinar peróxido de hidrógeno y permanganato de potasio (denominados T-Stoff y Z-Stoff ).

El principal uso militar del motor de pulsorreactor, con la producción en serie de la unidad Argus As 014 (el primer motor de pulsorreactor de producción en serie), fue para su uso con la bomba volante V-1 . El zumbido característico del motor le valió los apodos de "bomba zumbadora" o "doodlebug". La V-1 fue un misil de crucero alemán utilizado en la Segunda Guerra Mundial , siendo el más famoso el bombardeo de Londres en 1944. Los motores de pulsorreactor, al ser baratos y fáciles de construir, fueron la opción obvia para los diseñadores de la V-1, dadas las carencias de materiales y la sobrecarga de la industria alemana en esa etapa de la guerra. Los diseñadores de misiles de crucero modernos no eligen motores de pulsorreactor para la propulsión, prefiriendo turborreactores o motores de cohete . Los únicos otros usos del pulsorreactor que llegaron a la fase de hardware en la Alemania nazi fueron el Messerschmitt Me 328 y un proyecto experimental Einpersonenfluggerät para el Ejército alemán (Heer) .

El personal técnico de Wright Field realizó ingeniería inversa del V-1 a partir de los restos de uno que no había detonado en Gran Bretaña. El resultado fue la creación del JB-2 Loon , cuyo fuselaje fue construido por Republic Aviation , y el motor de pulsorreactor Argus As 014, conocido por su designación estadounidense PJ31 , fue fabricado por Ford Motor Company .

Al general Hap Arnold de las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos le preocupaba que esta arma pudiera construirse de acero y madera, en 2000 horas de trabajo y con un costo aproximado de US$600 (equivalente a US$11.163 en 2025) . ^{[ 9 ]}

En 2024, Wave Engine Corporation, una empresa derivada de la Universidad de Maryland, entregó cuatro de sus motores J-1 a un cliente. El J-1 es un motor de pulsorreactor controlado digitalmente para su uso en vehículos aéreos no tripulados (UAV). ^{[ 13 ]}

El J-1 es un dispositivo en forma de U diseñado para UAVs con un peso bruto vehicular de hasta 200 lb (90 kg). Pesa 18 lb (8,2 kg) y mide 5,5 x 12,5 x 64 pulgadas (14 x 32 x 163 cm). Puede funcionar con combustibles como gasolina, bioetanol E85 o combustible para aviones. Su empuje alcanza hasta 55 lbf (240 N) . Cuando el combustible se enciende, el aumento de temperatura y presión expulsa los gases calientes del dispositivo, creando empuje. El vacío parcial resultante aspira aire fresco, preparándose para el siguiente pulso. ^{[ 13 ]} La familia de motores se ha probado a velocidades de hasta 200 mph (320 km/h) . ^{[ 13 ]}    

Wave está trabajando en un segundo motor, el K-1, con un empuje de hasta 220 lbf (980 N) para cargas de hasta 1000 lb (450 kg) . Afirma que esto beneficiará a aplicaciones comerciales de mayor envergadura y a una nueva clase de aeronaves VTOL .    

Los motores de pulsorreactor con válvulas utilizan una válvula mecánica para controlar el flujo de los gases de escape en expansión, forzando la salida de los gases calientes por la parte trasera del motor únicamente a través del tubo de escape. Esto permite la entrada de aire fresco y más combustible a través de la admisión , ya que la inercia de los gases de escape crea un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación. De esta forma, se introduce aire y combustible adicionales entre pulsos.

El motor de pulsorreactor con válvulas consta de una admisión con un sistema de válvulas unidireccionales. Estas válvulas impiden que los gases explosivos de la mezcla de combustible encendida en la cámara de combustión salgan y obstruyan el flujo de aire de admisión. Sin embargo, en todos los motores de pulsorreactor con válvulas prácticos se produce cierto retroceso de gases al funcionar en reposo o a baja velocidad, ya que las válvulas no pueden cerrarse con la suficiente rapidez para evitar que parte de los gases salgan por la admisión. Los gases de escape sobrecalentados salen a través de un tubo de escape acústicamente resonante .

La válvula de admisión suele ser una válvula de láminas . Las dos configuraciones más comunes son la válvula margarita y la rejilla de válvulas rectangular. Una válvula margarita consiste en una lámina delgada de material que actúa como lámina, cortada con la forma de una margarita estilizada con "pétalos" que se ensanchan hacia sus extremos. Cada "pétalo" cubre un orificio de admisión circular en su extremo. La válvula margarita se atornilla al colector por su centro. Aunque es más fácil de construir a pequeña escala, es menos eficaz que una rejilla de válvulas.

La frecuencia del ciclo depende principalmente de la longitud del motor. En un motor pequeño, como los de los modelos a escala, la frecuencia puede rondar los 250 pulsos por segundo, mientras que en un motor más grande, como el utilizado en la bomba volante alemana V-1 , la frecuencia se acercaba a los 45 pulsos por segundo. El sonido de baja frecuencia que producían hizo que estos misiles fueran apodados "bombas zumbadoras".

Los motores de pulsorreactor sin válvulas no tienen partes móviles y utilizan únicamente su geometría para controlar el flujo de gases de escape. Estos motores expulsan los gases tanto por la admisión como por el escape, pero la mayor parte de la fuerza generada sale por la sección transversal más ancha del escape. La mayor masa que sale por el escape, al ser más ancho, tiene mayor inercia que el flujo inverso que sale por la admisión, lo que permite generar un vacío parcial durante una fracción de segundo después de cada detonación. Esto invierte el flujo de admisión a su dirección correcta y, por lo tanto, permite la entrada de más aire y combustible. Este proceso se repite decenas de veces por segundo.

El motor de pulsorreactor sin válvulas funciona según el mismo principio que el motor de pulsorreactor con válvulas, pero la "válvula" es la geometría del motor. El combustible, en forma de gas o líquido atomizado , se mezcla con el aire en la admisión o se inyecta directamente en la cámara de combustión . Para arrancar el motor, normalmente se requiere aire forzado y una fuente de ignición, como una bujía, para la mezcla de combustible y aire. Con los diseños de motores modernos, casi cualquier motor puede autoarrancarse proporcionándole combustible y una chispa de ignición, lo que permite arrancarlo sin aire comprimido. Una vez en marcha, el motor solo requiere un aporte de combustible para mantener un ciclo de combustión autosostenible.

El ciclo de combustión comprende cinco o seis fases, según el motor: admisión, compresión, inyección de combustible (opcional), ignición, combustión y escape.

El proceso comienza con la ignición dentro de la cámara de combustión, donde la combustión de la mezcla de combustible y aire genera una alta presión.

La reacción inercial de este flujo de gas provoca que el motor genere empuje, fuerza que se utiliza para propulsar la estructura del avión o las palas del rotor. La inercia de los gases de escape en movimiento genera una baja presión en la cámara de combustión. Esta presión es menor que la presión de entrada (antes de la válvula unidireccional), por lo que comienza la fase de admisión del ciclo.

En los motores de pulsorreactor más sencillos, la admisión se realiza mediante un venturi , que extrae el combustible de un depósito. En motores más complejos, el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión. Durante la fase de admisión, se inyecta combustible atomizado en la cámara para llenar el vacío generado por la salida de la bola de fuego anterior; el combustible atomizado intenta llenar todo el tubo, incluyendo el tubo de escape. Esto provoca que el combustible atomizado en la parte posterior de la cámara de combustión se "desplegue" al entrar en contacto con los gases calientes de la columna de gas precedente. Este destello resultante cierra bruscamente las válvulas de láminas o, en el caso de diseños sin válvulas, detiene el flujo de combustible hasta que se forma un vacío y el ciclo se repite.

Los motores de pulsorreactor sin válvulas se presentan en diversas formas y tamaños, y cada diseño se adapta a diferentes funciones. Un motor típico sin válvulas consta de uno o más tubos de admisión, una cámara de combustión y uno o más tubos de escape.

El tubo de admisión toma aire y lo mezcla con combustible para la combustión, y también controla la expulsión de los gases de escape, como una válvula, limitando el flujo pero sin detenerlo por completo. Mientras la mezcla de combustible y aire se quema, la mayor parte del gas en expansión es expulsado por el tubo de escape del motor. Dado que el o los tubos de admisión también expulsan gases durante el ciclo de escape del motor, la mayoría de los motores sin válvulas tienen las tomas de aire orientadas hacia atrás para que el empuje generado se sume al empuje total, en lugar de reducirlo.

La combustión genera dos frentes de onda de presión: uno que se desplaza por el tubo de escape más largo y otro por el tubo de admisión más corto. Ajustando adecuadamente el sistema (diseñando correctamente las dimensiones del motor), se puede lograr un proceso de combustión resonante.

Un motor sin válvulas bien diseñado ofrece un rendimiento excepcional en vuelo, ya que al no tener válvulas, la presión del aire generada por la velocidad dinámica no provoca que el motor se detenga, a diferencia de un motor con válvulas. Estos motores pueden alcanzar velocidades máximas más elevadas, y algunos diseños avanzados son capaces de operar a Mach 0,7 o incluso más.

La ventaja del motor de pulsorreactor acústico reside en su simplicidad. Al no tener piezas móviles que se desgasten, su mantenimiento y construcción son más sencillos.

Un motor de pulsorreactor rotatorio consta de un volante con una serie de pulsorreactores acoplados al rotor. Las válvulas de combustible se abren y cierran y se encienden con cada rotación que impulsa el eje. ^{[ 15 ]}