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viernes, abril 07, 2006

La barrera térmica

En 1958 entró en servicio el F-105, un avión de combate capaz de alcanzar los 2.200 km/h. En 2005, 47 años después, entro en servicio el F-22, el más sofisticado caza norteamericano que apenas alcanza los 2.450 km/h. ¿Dónde están los aviones hipersónicos prometidos hace tanto tiempo?


Después de hablar de los aviones a pedales ahora toca irse al otro extremo, los aviones más rápidos. Tras la Segunda Guerra Mundial, y el comienzo de la guerra fría en los años 50, se inicio una carrera entre norteamericanos y soviéticos para diseñar y fabricar aviones más rápidos que les permitiesen atacar a su contrincante antes de que pudiese reaccionar. El primer objetivo fue superar la barrera del sonido. Esto se logro primero con un avión- cohete, el X-1, y después con aviones de combate más “convencionales” como el F-100 Super Sabre en 1954. Una estupenda explicación sobre la barrera del sonido repleta de fotos y videos espectaculares puede encontrarse en este artículo de CPI.




Una vez superada la barrera del sonido parecía que la carrera podía continuar sin límites. Los motores eran cada vez más potentes conforme avanzada la técnica. Para los militares, parecía que ni el coste ni el consumo de combustible eran un problema siempre que los resultados lo justificasen. El ejemplo más espectacular fue el fue el SR-71. Este avión consiguió superar el triple de la velocidad del sonido (Mach 3) en 1964.




Pero la física seguía estando ahí. La resistencia aerodinámica de un avión crece con el cuadrado de la velocidad. Si se duplica la velocidad la resistencia no es doble sino cuatro veces la anterior, si se triplica serian nueve veces. Toda la energía perdida por este brutal rozamiento con el aire se acumula en el avión en forma de calor. Un ejemplo sería el Concorde. Durante un vuelo normal el morro del avión alcanzaba los 127 grados de temperatura. En el caso del SR-71, las temperaturas eran muy superiores, con zonas que superaban los 427 grados.

Se utilizaron todos los trucos posibles, fuselaje de titanio de alta resistencia, pintura negra para aumentar la perdida de calor por radiación o superficies rugosas para permitir que el metal se dilatase. Incluso los depósitos de combustibles que tenían fugas en tierra. Estaban diseñados para ser estancos en vuelo, cuando algunas partes del fuselaje se dilataban tras alcanzar los 420 grados centígrados. Estos problemas eran aceptables en un avión militar especializado pero no en un avión civil. El problemas es mayor, mucho mayor, cuando hablamos de velocidades entre 5 y 10 Mach. Solo los materiales cerámicos son capaces de soportar las altas temperaturas necesarias pero su coste y fragilidad, como el accidente del Columbia demostró, impiden su aplicación generalizada. A día de hoy, los aviones hipersónicos siguen estando lejos de nuestro alcance.


Próximo tema: Truenos y G.P.S.
Categoría: Física

Esta anotación tiene 14 comentarios.

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14 Comentarios:

  • Estupendo, como siempre. ¿Los nuevos aviones que alcanzan Mach 10 con motores atmosféricos son entonces de cerámica?
    http://www.nasa.gov/missions/research/x43-main.html
    He estado buscando un poco pero no veo de qué están hechos...

    Escrito por Blogger Remo, a las 8/4/06 08:16  

  • Gracias Remo, un placer verte por aqui.
    No, el X-43A, no esta hecho de ceramica sino de metal pero utiliza agua para enfriar su fuselaje y que no se derrita. (http://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-43#The_craft). El problema no es alcanzar una alta velocidad durante un par de minutos sino mantenerla en el tiempo.
    Otro ejemplo seria el avión-cohete X-15. Alcanzo los 7,274 km/h en 1967 con un fuselaje de metal pero el perfil de vuelo consistia, basicamente, en: desprenderse del avión nodriza, acelerar a tope hasta la maxima velocidad y frenar poco a poco.
    Actualmente trabajan en utilizar combustibles criogénicos como en hidrogeno liquido para refrigerar el avión en vuelo. Mientras el vuelo no sea muy largo es suficiente.

    Escrito por Blogger Ambros, a las 8/4/06 11:17  

  • Y para que queremos ir tan rapido ?

    No seria mejor gastar ese dinero en algo mas decente ?

    Escrito por Blogger KAMELAS, a las 8/4/06 23:43  

  • Muy bueno, Ambros. Me ha gustado un montón. De hecho, recuerdo hace algunos años tuve una discusión con un amigo ingeniero aeronáutico en la que discutíamos la razón del límite de la velocidad de los aviones. Me alegra ver que mi intuición fue la buena.

    Pero tengo otra duda. Seguro que la resistencia disminuye con la densidad del aire. ¿Por qué no tomar más altura y acelerar allí?

    Salud!

    Escrito por Anonymous omalaled, a las 9/4/06 00:04  

  • Gracias omaladed. La verdad es que no puedo decirte la causa exacta (yo también soy industrial no aeronáutico) aunque sé que hay varios factores que influyen. El principal factor parece ser el motor. A menor densidad hay menos oxigeno para el motor y, por tanto, menor potencia para acelerar. Y aumentar la velocidad también tiene sus problemas. Básicamente un avión es impulsado por una reacción química que provoca la expansión de aire muy caliente. Sin embargo toda combustión tiene una temperatura máxima. A alta velocidad el aire que entra en el motor se frena tanto que su temperatura se eleva tanto que no es posible conseguir una combustión eficaz.

    Por eso se intentan desarrollar motores tipo scramjet como en el X-43. Esos motores podrían funcionar hasta los 12 Mach o tal vez más porque frenan mucho menos el aire. Además se buscan trayectorias que combinen la altura y velocidad de forma óptima. Una explicación más completa y mejor puede verse en Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Scramjet#Theory)

    Escrito por Blogger Ambros, a las 9/4/06 15:40  

  • Creo que la pregunta de KAMELAS es el quid de la cuestion.

    La rapidez de un caza es fundamental en combate asi como para no ser un blanco facil de la defensa antiaerea.

    Sin embargo opino que fuera del campo militar necesitamos mas y mas velocidad para hacer mas eficiente el transporte, para mejorar las comunicaciones, para impulsar el comercio y convertir el planeta en un solo pais, esto es crear tal densidad y multiplicidad de vinculos e intereses culturales y comerciales que las guerras y la explotacion tengan cada vez menos horizonte abierto.

    Tal y como ha dejado sentenciado AMBROS el vehiculo aeronautico, tras la barrera del sonido, choca con la barrera terminca, pero mucho antes de llegar a ambas está la barrera economica, esto es el derroche que por si representa el vuelo aereo y su escalada brutal cuando se incrementa la velocidad, tanto por el consumo creciente de combustible como por la progresivamente menor carga transportable.

    Sin embargo necesitamos volar para hacer el mundo mas pequeño de manera que todos nos sintamos concernidos por lo que sucede en cualquier punto del mismo. Pero no volar por el aire, mas tampoco fuera de la atmosfera; siquiera sobre la superficie de la Tierra, sino debajo de ella, por tunel.

    Por un tunel al que se ha extraido el aire, practicamente no hay limite para la velocidad asequible, siempre y cuando no se corra sobre ruedas, sino que se vuele sobre un cojin magnetico el cual proveeria a la vez la sustentacion y el impulso, sin demandar el concurso de grandes energias para obtener las aludidas y demandadas grandes velocidades, sino mas bien de un empuje moderado pero continuo, pudiendose recuperar parte de la energia durante la operacion de frenado.

    Escrito por Blogger Dubitador, a las 11/4/06 03:31  

  • ¡Hola!

    Soy una estudiante de 3º de Biología (voy por la rama Fundamental). Estoy construyendo un pequeño proyecto en la red sobre Biología y ciencias afines. Está en Inglés y consta de website, foro de opiniones y chat.

    Ahora estoy promocionándolo (no hay muchos/as usuarios/as registrados todavía). Si te apetece, visítalo.

    También estamos buscando colaboradores/as (moderadores de foro, reporteros, etc) para el proyecto. Si te interesa, escribe un e-mail a biosciworld@yahoo.es

    Recibe un cordial saludo...

    BioSciWorld team.
    http://es.geocities.com/biosciworld
    http://www.biosciworld.tk

    Escrito por Anonymous Anónimo, a las 12/4/06 20:16  

  • Te invito a que te pases por el aeropuerto de la kapi, no se si son rapidos o no pero ruidera... te aseguro q meten ;-)
    besitos

    Escrito por Blogger meiga, a las 13/4/06 23:53  

  • Demasiados aviones estoy viendo (y usando) últimamente. A ver cuando llega el verano y tranquilizo un poco porque casi no saco tiempo para mantener esta página.

    Escrito por Blogger Ambros, a las 14/4/06 23:47  

  • jajajaj si es que tanto extres... yo si quieres te llevo las maletas ehhhh!!! por mi no hay problema :-P
    mil besitos

    Escrito por Blogger meiga, a las 16/4/06 12:51  

  • "....necesitamos mas velocidad para mejorar el transporte, las comunicaciones, el comercio, convertir el planeta en un solo pais, esto es crear tal densidad y multiplicidad de vinculos e intereses culturales y comerciales que las guerras y la explotacion tengan cada vez menos horizonte abierto...."
    Olvidmos que la industria de la eficiencia se basa en la militar, apoyada en el "complejo" armamento- industrial que denunciaba ya Eisenhower (y estaba muy cerca del tinglado)"se fabrican armas, servicios para la guerra y ahora- perversamente es al revés: se fabrican guerras (entre otras razones) para que el complejo militar-industrial (industrias-lobys-constructoras-políticos-servicios-entretenimiento siga funcionando y ganando dinero que paga el estado, que al final son los pobres paganos los que sostienen el tinglado sobre sus espaldas)una política que no ha dado narcha atrás, sino que se ha hecho mundial, con lo cual el hombre se metió en un pozo sin fondo del que sól puede sacar Dios, deteniendo la gravedad, y como Supermán subiendo hacia el brocal para salir a Tierra y poder seguir caminando sobre ella.
    De todos los descubrimientos se beneficia-apodera y al final manipula-interfiere la industria militar. Conclusión: el dia que no haya militares, no habrá ciencia, y se limita el camino de desarrollo de la ciencia, no se expande o ramifica libremente.
    Además mil(diez millones)camiones en direción a Nueva York, cargado de pollos, aunque vayan a 20 km suministran de alimento igual que 3 trenes a velocidades de la luz
    ¿Para qué tan rápido? , pues para llegar antes que el competidor y apoderarse del mercado que es la conclusión final y no el desarrollo humano como se cacarea.

    Escrito por Anonymous Anónimo, a las 22/4/06 17:27  

  • Simplemente diré que yo soy el usuario anónimo que firmé el rollo- panfleto del 22-04-06, se me pasó poner mi firma. Mil perdones o setenta veces siete, solicito de la audiencia. sanoJonás

    Escrito por Anonymous Anónimo, a las 25/4/06 16:56  

  • Hace tiempo vi un documental sobre diseños para alcanzar mach 20, que se basaban en evitar el rozamiento del aire. No sé hasta que punto serán viables, pero hablaban de, mediante una larga antena en el morro, ionizar el aire para que las moléculas se alejasen por tener la misma carga. De ese modo crearían una especie de túnel con una menor densidad de aire por donde iría la parte principal del avión, mientras que la densidad en las cercanías sería suficiente para que los motores tuviesen suficiente oxígeno. No hablaban de prototipos, sino de ideas, así que no sé si se siguen estudiando o si se desecharon.

    Escrito por Anonymous PaWeR, a las 11/5/06 01:36  

  • La velocidad ha dejado de ser una prioridad en el diseño de aeronaves militares.
    El principio de "más alto, más rápido" se quedó obsoleto con el avance de la tecnología de misiles tierra-aire.
    Es mucho más caro y dificil diseñar un avión supersónico que diseñar el misil que ha de alcanzarlo.
    Y el rastro infrarrojo de un fuselaje a cientos de grados y de los motores con postcombustion escupiendo lenguas de fuego es demasiado sencillo de seguir.
    La prioridad de diseño ahora es la indetectabilidad.
    En ese sentido el F-22 puede atribuirse ser el primer avion capaz de volar a velocidades supersónicas de forma discreta (sin usar postcombustión) en lo que se ha denominado "supercrucero".
    La tecnología no se ha estancado. Sólo avanza en otras direcciones.

    Escrito por Blogger pab, a las 11/5/06 10:05  

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