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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA.
NÚCLEO LARA
Integrantes:
 Valecillos Carlos
 Morales Elieser
 Correa Carlos
 Silva Karina
 Altuna Lilia
Docente: Betzi Terán
Sección: 7T1IE
Grupo: B
Equipo: 4
C.I. 18095670
C.I. 18295825
C.I. 18368392
C.I. 18057973
C.I. 18726503
Barquisimeto, mayo 2011
1
Índice.
Pág.
Introducción……………………………………………………………………
3
Propulsión……………………………………………………………………… 4
Principios de la propulsión……………………………………………………
4
¿Cómo se genera un empuje?.............................................................................. 6
Principales tipos de propulsión………………………………………………
6
Conclusión……………………………………………………………………..
28
Bibliografía……………………………………………………………………… 29
2
Introducción.
Desde la época de los egipcios nos llegan los primeros antecedentes del ser
humano en el arte de flotar y desplazarse en el medio acuático. Los Romanos que
tomando de los griegos la cultura de los egipcios ya realizaban ejercicios de natación
como método de entrenamiento para los guerreros.
A partir de allí el ser humano ha tenido que desarrollar un patrón de
movimientos para producir una fuerza eficaz que le permitiera el desplazamiento en
el medio físico.
También los vehículos y los barcos necesitan una fuerza que origine un
desplazamiento. De manera similar los satélites artificiales deben ser lanzados para
ser puestos en órbita, y una vez han alcanzado su posición estacionaria en la órbita
nominal, necesitan de alguna forma de control de actitud para que se puedan
mantener apuntando una cierta posición entre la Tierra, el Sol y posiblemente algunos
objetos astronómicos de interés.
De lo anterior se desprende que hace falta la aplicación del término propulsión
que señala la acción que realizada para lograr vencer la resistencia al agua, aire
gravedad o cualquier otra cosa por medio de un empuje y de este modo poder
conseguir desplazamiento.
3
1. Propulsión.
La propulsión es el movimiento generado a partir de una fuerza que da
impulso. La propulsión puede ser creada en cualquier acto de empuje hacia el frente
de una fuente en relación a un cuerpo. La propulsión es la ciencia de diseñar un motor
para propulsar (empujar) un vehículo hacia adelante o hacia arriba. En esta área de la
hay diversos tipos entre los primordiales están:

Propulsión humana.

Propulsión a chorro.

Propulsión nuclear.

Propulsión iónica.

Propulsión alternativa.
2. Principios de la propulsión.
Los sistemas se encuentran inmersos en medios resistivos, que generan
fuerzas de resistencias (resistencias aerodinámicas) proporcionales a la velocidad o
fuerzas gravitatorias que se oponen al movimiento.
La propulsión requiere la aparición de una fuerza E (empuje) en el objeto o
vehículo para acelerarlo, o para oponerlo a las fuerzas de resistencia y mantener su
estado de movimiento lo cual está establecido en la segunda ley de newton.
La fuerzas apresen aparecen siempre como pares iguales y opuestos, y así
pues, la existencia de una fuerza E lleva consigo la existencia de otras que se
denomina reacción R, igual y contraria a esta, lo cual está establecido en la tercera de
newton. Esta reacción no puede estar aplicada en el vehículo u objeto que se pretende
4
propulsar, de lo contrario, solo se produciría una deformación y no un cambio de
movimiento.
La reacción R se aplica entre dos cuerpos apareciendo dos estados de
movimiento lo que implica que para propulsar un vehículo u objeto se necesita uno o
más cuerpos además del propio. El uso del principio de acción y reacción para
producir empuje se conoce desde hace mucho tiempo según Archytas 400 años AC.
Es imposible que partiendo de un sistema de cuerpos en rasposo un único
cuerpo adquiera una velocidad V, no optaste, una masa M puede adquirir una
velocidad V siempre y cuando se cumpla que un cuerpo se mueve en dirección
opuesta al otro cuerpo en movimiento.
En el caso de que intervenga solo un cuerpo, además del que se quiera mover,
en la producción de la propulsión, ese cuerpo adquirirá un estado de movimiento.
Otro aspecto de la propulsión es de la energía que se necesita. Para obtener los
estados de movimiento, citados anteriormente se requiere un incremento de energía,
al menos, igual a la cinética. Los incrementos de cantidad de movimiento llevan
aparejados incrementos de energía cinética, esta energía tendrá que ser aportada por
los sistemas motopropulsores.
En los motopropulsores la energía se consigue del calor liberado en la
combustión de combustibles. Los sistemas que generan una fuerza propulsiva E de un
combustibles se denomina motopropulsores, los cuales están compuestos por motores
que producen energía mecánica a partir de un combustible y por propulsores que
generan una fuerza propulsiva a partir de energía mecánica.
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3. ¿Cómo se genera un empuje?
Este nace como reacción al aumento de la cantidad de movimiento que se
produce en el fluido que lo atraviesa. Las paredes internas del sistema aeroreactor en
contacto con el fluido, producen fuerzas fluidodinamicas (de presión y fricción) sobre
el mismo, que inducen que induce un cambio en su cantidad de movimiento. Como
consecuencia de ellos, el fluido, a su vez, produce las mismas fuerzas pero en sentido
contrario sobre las paredes mojadas.
4. Principales tipos de propulsión.
4.1.Propulsión humana:
Un vehículo de propulsión humana (VPH), es cualquier vehículo impulsado
exclusivamente por la fuerza muscular del ser humano. Los VPH's más comunes son
los velocípedos, como la bicicleta; las embarcaciones de remos, como las canoas y los
artefactos de pedales; aunque muchos otros tipos de vehículos pueden moverse con
fuerza humana, incluyendo submarinos, aeronaves, aerodeslizadores y vehículos de
escultura cinética.
Las aeronaves de propulsión humana deben ser capaces de despegues
impulsados de este modo para considerarse como tales; esto excluye a los
planeadores. Quizás el ejemplo más conocido de un aeronave propulsada con fuerza
humana es el Gossamer Albatross, o Albatros Gossamer, el cual atravesó volando el
Canal de la Mancha en 1979.
La bicicleta reclinada es el vehículo de propulsión humana más veloz: Sam
Whittingham tiene la marca (para el 2004) de la mayor velocidad, habiendo
pedaleado a 130,36 km/h una distancia de 200 m.
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4.2. Propulsión iónica electromagnética.
Es el principio básico tras la propulsión iónica es el de cargar positivamente
un fluido para después propulsarlo electromagnéticamente, y de este modo conseguir
un empuje. A pesar de que la cantidad de empuje conseguida es realmente pequeña,
puede sustentarse durante viajes de larga duración para suministrar una aceleración
acumulativa muy efectiva que, finalmente consigue superar a los mucho más
poderosos aunque también mucho más derrochadores de combustible químico cohetes empleados normalmente en los lanzamientos.
Motores iónicos: Los motores Iónicos tiene un funcionamiento simple,
mediante un campo eléctrico se genera un chorro de Iones que sale en dirección
opuesta a la dirección de la sonda, propulsándola. La fuerza generada es mínima pero,
a diferencia de la propulsión química, pueden mantenerse en funcionamiento durante
periodos de tiempo muy prolongados, por lo que la fuerza acumulada acaba
desplazando la nave a una velocidad superior a la que se conseguiría con el otro
método, además de permitir una mayor autonomía
Propulsión iónica: Un motor de propulsión iónica utiliza campos
magnéticos, en lugar de combustión química para lograr el empuje. Una pequeña
cantidad de gas normalmente de un elemento pesado como el xenón es inyectada en
una cámara de ionización que contiene una serie de bobinas magnéticas. Un poderes
de suministro de energía eléctrica las bobinas y las consiguientes electromagnética
fuerzas en la cámara de separan las partículas cargadas positivamente y
negativamente en el gas, creación de iones y electrones libres. Con potentes campos
eléctricos, esas partículas cargadas son, a continuación, se aceleró a velocidades muy
altas y, a continuación, expulsada de la parte posterior de la cámara de ionización. Su
movimiento hacia atrás crea empuje hacia adelante.
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La propulsión iónica es una tecnología que se basa en ionizar un gas para
impulsar una nave. En vez de emplear productos químicos estándar para impulsar la
nave, el gas Xenón (que es como el Helio o el Neón, pero más pesado ) se carga
eléctricamente, es decir, se ioniza.. Cuando los iones de Xenón son emitidos a esta
velocidad, empujan la nave en dirección opuesta.
El método preciso para acelerar los iones puede variar, pero todos los diseños
usan la ventaja de la relación carga-masa de los iones para acelerarlos a velocidades
muy altas utilizando un campo eléctrico. Gracias a esto, los propulsores iónicos
pueden alcanzar un impulso específico alto, reduciendo la cantidad de masa
necesaria, pero incrementando la cantidad de potencia necesaria comparada con los
cohetes convencionales. Los motores iónicos pueden desarrollar un orden de
magnitud mayor de eficacia de combustible que los motores de cohete de combustible
líquido, pero restringidos a aceleraciones muy bajas por la relación potencia-masa de
los sistemas disponibles.
La vida útil del propulsor iónico se convierte en una característica importante.
Los propulsores iónicos pueden funcionar durante un período largo para permitir que
la pequeña aceleración obtenga una velocidad útil.
En el diseño más sencillo, un propulsor iónico electrostático, los iones a
menudo golpean la rejilla, erosionándola y finalmente provocando una avería. Las
rejillas de dimensiones reducidas disminuyen la posibilidad de estas colisiones
accidentales, pero también reduce la cantidad de carga que pueden manejar,
reduciendo el empuje.
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4.3.Propulsión nuclear
El uso de la energía liberada por una reacción nuclear para el empuje de forma
directa, a diferencia de los eléctricos de propulsión nuclear. Un sistema de propulsión
nuclear deriva su empuje de los productos de la energía nuclear de fisión o fusión.
Una forma de lograr la propulsión nuclear es para calentar un fluido de trabajo
mediante el bombeo a través de un reactor nuclear, a continuación, dejar que el
líquido expandirse a través de una boquilla. Teniendo en cuenta que el combustible
nuclear de fisión contiene más de un millón de veces más energía por unidad de masa
como combustible químico hace, esto suena prometedor. Pero el enfoque es limitado
por la temperatura a la que un reactor y los componentes clave de un cohete, como
una boquilla, pueden funcionar.
El mejor fluido de trabajo a utilizar es el hidrógeno, porque es la sustancia
más ligera y por lo tanto, a cualquier temperatura, se compone de las partículas de
mayor movimiento. Los cohetes químicos no pueden producir hidrógeno como un
escape porque el hidrógeno no es el único producto de una reacción química práctica.
Con la energía nuclear sin límites, sin embargo, no es necesario reaccionar o quemar
cualquier cosa, en cambio, el gas hidrógeno podría simplemente ser calentados en el
interior de un reactor nuclear y luego expulsado como una alta velocidad de escape.
Otros conceptos de propulsión nuclear han tratado de eludir la limitación
inherente a la temperatura que circula el fluido de trabajo en torno a un reactor por
aprovechar el poder de las reacciones nucleares fuera de control. Entre las más
importantes históricamente de estos ha sido el pulso de cohetes nucleares, los diseños
de los cuales fueron desarrollados para el proyecto Orión y proyecto Dédalo.
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Cohetes de propulsión nuclear incluye una variedad de métodos donde (termo)
reacciones nucleares constituye una fuente de energía. Los siguientes métodos se
pueden señalar:
 térmico de propulsión: un reactor nuclear calienta un fluido
(generalmente hidrógeno, pero otros líquidos también son posibles),
que se expulsa y se crea de empuje.
 propulsión del impulso: pequeñas explosiones nucleares detrás de una
placa de protección acelerar el cohete desde el exterior.
 radioisótopos de propulsión: la descomposición de los isótopos
radiactivos proporcionan energía para calentar un fluido de trabajo.
 eléctricos de propulsión nuclear: las reacciones nucleares se utilizan
para producir el suministro de electricidad para uno de los métodos de
propulsión eléctrica.
La mayor ventaja de la propulsión nuclear que permite obtener valores muy
altos del impulso específico que no se pueden alcanzar con los métodos de propulsión
química. Eso significa que el dispositivo cohete puede ser mucho más pequeño, con
mucho menos trabajo a bordo de líquidos. Algunos métodos de propulsión nuclear
requieren motores muy simples que pueden ser más fiables que los motores químicos.
La mayor desventaja de la propulsión nuclear es su combustible. El
combustible nuclear no es seguro debido a la radiactividad alta, y su producción y
manejo son muy riesgosos. Un fallo en el lanzamiento de un cohete con un motor a
bordo nuclear (o transportar una carga útil con un dispositivo nuclear) puede tener
graves consecuencias.
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Propulsión térmica
Tripulaciones de naves espaciales tripuladas. Esta es la razón por la
propulsión nuclear no se ha aplicado hasta ahora, aunque la mayoría de los problemas
técnicos han sido resueltos con los métodos de propulsión diferentes, y los desarrollos
en esta área son bastante avanzados. Veamos en detalle las principales características
de los métodos de propulsión nuclear.
La idea general de la propulsión térmica es bastante similar a la propulsión
térmica común: el fluido de trabajo se calienta y se gasifica en la cámara de empuje, y
los gases se aceleran en la boquilla de dar empuje al cohete, pero las reacciones
nucleares se utilizan para la calefacción, no las reacciones químicas. LH2 se propone
como la mejor opción de propulsor, debido a su bajo peso molecular, sin embargo,
lejos de la Tierra, donde el uso de propulsor criogénico es problemático, otros
líquidos pueden ser utilizados, entre los cuales es el agua.
En general, el peso de los reactores nucleares es grande, así que el empuje /
peso de los motores nucleares térmica es baja. Los depósitos de carburante, la
estructura y las etapas superiores haría más pequeño que la unidad. Por lo tanto, es
claro que estos motores no se pueden utilizar en las primeras etapas de los cohetes.
Sin embargo, pueden ser utilizados en las etapas superiores, en satélites y sondas
espaciales, cuando el escenario con el reactor no necesita superar la gravedad de la
Tierra. El uso en planetas con baja gravedad y la Luna también es posible.
La más obvia y el diseño más simple es el diseño de la base sólida, donde un
convencional (aunque ligero) del reactor nuclear con un núcleo sólido funciona a
altas temperaturas, y el líquido de los flujos de trabajo a través del núcleo. En este
diseño, el impulso específico es limitado por la temperatura de fusión de los
elementos del reactor. Hoy en día esta temperatura es de ~ 3900 0 C.
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Por ejemplo; Una tierra Luna y misión de retorno que requieren una relación
de masa de 6-8 en la órbita terrestre baja (velocidad característica ~ 8 km / seg) si se
realiza utilizando propulsores químicos, un motor central nuclear de sólidos que
permitan reducir la proporción de la masa de ~ 2.5. Por lo tanto la masa de la carga
útil aumentaría ~ 3 veces. Algunos diseños (con elementos de rigidez de combustibleno) permitiría aumentar la I sp a los valores> 1000 s, pero la complejidad aumentaría
significativamente.
Para superar las limitaciones de temperatura del diseño del núcleo sólido, es
teóricamente posible que los elementos combustibles para trabajar a temperaturas
más altas, es decir, a derretirse. Este es el diseño de la base líquida combustible
derretido se mezcla con el carburante y de que sea atrapado en el motor por las
fuerzas centrífugas (así, el líquido gira a alta velocidad) o bien se escapa con el gas
(lo que significaría muy radiactivos de escape y por lo tanto, el motor podría ser
utilizado sólo lejos de de la Tierra). Impulso de los valores específicos de I sp ~ 1,400
segundos sería alcanzable.
Núcleo Gas ofrece hasta yo los valores más altos de ~ 2000 ~ 5000 sec a seg.
El combustible se gasifica y funciona a temperaturas de varias decenas de miles de
grados Kelvin. O bien puede mezclarse con el fluido de trabajo (y escapar con él) o
bien estar separados por un contenedor de cuarzo transparente (lo que haría el ciclo
cerrado y el cohete reutilizable).
Pulso de propulsión
La idea general de la propulsión del pulso es utilizar (termo) explosiones
nucleares para acelerar el vehículo. Bombas pequeñas (en diversos diseños de su
equivalente de TNT pueden variar de decenas de toneladas a decenas de kilotones
superior y) se explotó detrás de un plato de empuje de acero en la parte trasera del
vehículo. El núcleo de cada una bomba nuclear está rodeada por una capa formada
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especialmente de la masa de reacción (de tungsteno, polietileno o algún otro), siendo
una carga hueca. La explosión dirigida de la masa de reacción se evaporó golpea la
placa de empuje y acelera el vehículo. Para reducir la fuerza de gravedad, un
complejo sistema de amortiguadores de choque entre la placa de empuje y el vehículo
se ha instalado. Cada explosión puede añadir 10 - 20 m / seg a la velocidad del
vehículo, por lo que ~ 1000 bombas son necesarias para poner el vehículo a la órbita
terrestre baja.
El impulso específico impresionante de ~ 2000
lograr con el diseño de estos, junto con el empuje muy alta (que se define sólo por el
equivalente de TNT de las bombas utilizadas). Por lo tanto, las naves espaciales con
masas de miles de toneladas son posibles. Una base lunar puede ser construido con un
solo lanzamiento, viaja a planetas distantes pueden realizarse en un plazo de un año.
La mayoría de los problemas parece ser solucionable con la tecnología actual,
incluida la erosión de la placa de empuje (cubierto con la ablación del petróleo, sería
soportar numerosas explosiones sin erosión importante). El problema más grave es la
lluvia radiactiva, que no es evitable, por lo que el uso de dicho vehículo daría lugar a
la contaminación masiva. Por lo tanto, la única posibilidad es de comenzar a salir de
la atmósfera (y probablemente también fuera de la magnetosfera, para evitar la
captura de gases de escape de materiales radiactivos por el campo magnético y
devolverlos a la Tierra). Pero esto significa renuncia a la gran ventaja: la entrega
económicos de las grandes masas muy en el espacio.
Varios proyectos de propulsión pulso se han estudiado, el más conocido es el
proyecto Orion, donde las masas 300-8 millones de toneladas fueron examinadas con
la nave espacial. El proyecto fue cancelado a mediados de 1960 debido a los
problemas de la lluvia y la cancelación de los ensayos nucleares en el espacio.
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Radioisótopos de propulsión
La idea básica de la propulsión de radioisótopos consiste en utilizar el calor de
decaimiento de los isótopos radiactivos para gasificar el fluido de trabajo y para
expulsar de la boquilla. La diferencia con la propulsión térmica es el uso de la
decadencia pasivo en lugar de un reactor activo. Este diseño permitirá impulsar los
valores específicos de ~ 800 seg.
La principal desventaja de esta solución es bajo empuje. Mientras que un
reactor nuclear puede producir aproximadamente 1 GW de energía, una fuente de
calor de radioisótopos se produce sólo kW varias. Así, el empuje del motor como
sería sólo newton varias y sería aplicable sólo en pequeños propulsores y de empuje
de propulsión bajo. Para aumentar el empuje, plutonio (que tiene vida media larga y
se utiliza a menudo para el suministro de electricidad en las sondas espaciales) podrá
ser sustituido por polonio 210 que tiene menor vida media (~ 140 d), y ya se utilizaba
en el espacio.
Nucleares de propulsión eléctrica
La idea básica de la propulsión nuclear eléctrica es el uso de las reacciones
nucleares para producir electricidad, que alimenta uno de los dispositivos de
propulsión eléctrica existente. Propulsión eléctrica convencional es generalmente de
bajo empuje, pero el impulso se ve limitado por la energía baja de la red eléctrica
disponible (células solares normalmente). Si la fuente de alimentación de alta está
disponible en un reactor nuclear, el aumento de empujes tanto sería factible. Este
método de propulsión puede ser muy prometedor debido a los altos valores de
impulso específico que proporciona la propulsión eléctrica.
Métodos de propulsión eléctrica se centran en la conversión de la energía
eléctrica para empujar con la ayuda de la masa de trabajo a bordo del vehículo. La
masa
se
acelera
o
electromagnéticos
de
campo
eléctrico
y
expulsado
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unidireccionalmente, siempre que el vehículo con un impulso en la dirección opuesta.
En muchas aplicaciones, incluso sin la boquilla que se necesita, ya que el principio de
aceleración es diferente de la de los cohetes térmicos. Algunos motores de trabajar en
régimen continuo, otros en régimen de impulso.
Métodos de propulsión eléctrica permitirá alcanzar valores muy altos del
impulso específico. Sin embargo, su empuje es muy bajo ya que está limitada por el
poder del suministro de electricidad a bordo, y la electricidad se produce
generalmente por las células solares. El objetivo de baja de estos métodos se limita su
uso a aplicaciones en órbita (sin vehículo de lanzamiento puede ser construida
basándose en los métodos de propulsión eléctrica). Por lo tanto, la propulsión
eléctrica se utiliza en los propulsores de satélites para el control de actitud y de la
estación de mantenimiento. En los últimos años, que también se han utilizado en las
sondas espaciales para la fuerza de empuje bajo (por ejemplo, en el asteroide la sonda
Dawn a Ceres y Vesta la).
Métodos electrotérmica
Elementos de menor peso molecular son los preferidos, como el hidrógeno o
la hidracina, pero los sólidos no se excluyen, así, entre otros.) Arco eléctrico se utiliza
sobre todo para calentar el propelente. Impulsos específicos de dichos motores no son
muy altas, en comparación con otros motores de propulsión eléctrica (~ 1000
segundos), pero son sin duda más alto que el de los motores químicos. Las primeras
pruebas de los motores se realizaron a mediados de 1960 º en la Unión Soviética
Zond-2, la sonda marciana (la sonda no ha alcanzado su objetivo, pero los
propulsores fueron probados con éxito) y la Zond-3 lunar sobrevuelo de la sonda. Los
motores trabajaban en régimen de impulso. Más tarde dispositivos similares fueron
utilizados para el control en el Meteor y otros satélites (de helio y argón propulsores
se utilizan ya que son químicamente inertes y tienen un bajo potencial de ionización
relativamente), así como en varios satélites de EE.UU..
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En los métodos electrostática, las fuerzas de Coulomb se utilizan para acelerar
los iones - estos son llamados propulsores de iones, de modo. Los átomos del fluido
de trabajo se introducen en la cámara de descarga donde consiguen ionizados por los
electrones suministrados por un cañón de electrones. Los iones de la deriva de los
sistemas de extracción, con dos rejillas, positivos y negativos, y se aceleró entre las
redes. La rejilla negativa impide que los electrones de transmisión posterior a la
plasma de la descarga. Los campos magnéticos dentro de la cámara de descarga
retener electrones aumentando su tiempo de vida dentro de la cámara y así aumentar
la eficiencia ionizante. Los electrones son emitidos por un cátodo separado
(neutralizador) fuera del vehículo para evitar que el vehículo adquiera una carga
negativa.
Los elementos del motor están sujetos a un bombardeo iónico continuo y
puede corroer, por lo que un propulsor adecuado debe ser elegido. xenón Hoy en día
se utiliza sobre todo, a partir motores-xenón han demostrado durante los años de
trabajo intermitente. Los valores de impulso específico de estos dispositivos alcanzan
~ 3000 10 000 seg. El rendimiento puede ser mejorado si dos pares de
Electrostática métodos
Una variante de los propulsores de iones es de emisión de campo eléctrico de
propulsión, en un campo eléctrico muy fuerte extractos de los iones de la superficie
del metal líquido propulsor y la acelera. La posesión de impulso específico muy alto
(I sp > 10 000 segundos), este diseño proporciona empuje muy baja (alrededor de 10 6 10 -3 newtons), por lo que es de aplicación general para el control de actitud. En
otra variante (propulsores coloides), campo eléctrico acelera la carga de trabajo de las
gotas de líquido.
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Métodos electromagnéticos
En este grupo de métodos, el campo magnético actúa para acelerar el fluido de
trabajo, ya sea a través de la fuerza de Lorentz ya sea a través de enfocar el rayo. Muy
diferentes métodos se han propuesto, varios diseños han sido ya aplicados.
El método de funcionamiento de los propulsores de efecto Hall es similar a la
de los propulsores de iones, pero la carga negativa atractivo está formado por un
plasma de electrones en lugar de la cuadrícula. Ionización de los átomos de
carburante se produce debido a la colisión con electrones de alta energía que son
atrapados por el Ayuntamiento actual, este diseño aumenta significativamente la
eficiencia de la ionización. Estos propulsores se introdujeron por primera vez en la
URSS y fueron utilizados en varios satélites, hoy en día se introducen en todo el
mundo. Por ejemplo, el grupo experimental lunar sonda de la ESA SMART-1 fue
impulsado por propulsores de efecto Hall con I sp = 1650 segundos, el consumo de
energía de 1,2 kW. Fecha de lanzamiento en GTO en septiembre de 2003, que elevó
su apogeo en octubre 2004 para que se pasa a una órbita lunar polar y lowerd su
aposelene de ~ 55 000 km hasta ~ 4600 kilómetros después.
Un número de métodos prometedores se está desarrollando, que pronto podrá
entrar en funcionamiento.
Propulsores de gas frío es el método más sencillo de propulsión de cohetes.
Un montaje de la hélice de un buque que contiene el gas (generalmente nitrógeno) a
alta presión, que está conectado por una línea con una boquilla. Abrir la válvula
conduce al flujo de gas a través de la boquilla y la reacción aparece la fuerza. Los
calentadores se pueden incluir para proporcionar una mayor temperatura de los gases
y una mayor eficiencia tanto.
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segundos, el empuje es bajo también (decenas o cientos de newton), pero debido a su
sencillez y fiabilidad es ampliamente utilizado en las naves espaciales como un
método de control de actitud (principal o complementaria). La masa del conjunto es
bastante bajo, en su mayoría está compuesto por las masas de los recipientes a presión
y el gas.
Propulsores de gas fueron usadas para el control de actitud en los 3 sonda
lunar-Luna, en la estación espacial Skylab (como unidad suplementaria, primaria
dispositivos de control de actitud se giroscopios), sobre la astronómica satélite
Hipparcos (también como unidad suplementaria), y en muchos otros. También se
aplica para la maniobra de individuo humano en el espacio, por ejemplo, en la Unidad
de Maniobra Tripulada (MMU).
4.4. Propulsión a chorro.
Conocido también como motores de reacción. En los ciclos de energía hasta
ahora considerados, el gas a altas temperaturas y alta presión se expande en una
turbina o en los cilindros de un motor con pistones oscilantes. En cualquier caso, se
dispone de la energía atreves de un eje rotativo. Otro dispositivo para la expansión de
gases calientes es una tobera. En este caso, la energía está disponible como la energía
cinética en el eyector de los gases de descarga que salen de la tobera.
La planta de energía integra, que consta de un dispositivo de compresión y de
una cámara de combustión, así como de una tobera se conoce como motor de
reacción. Puesto que la energía cinética de los gases de escape es útil para impulsar el
motor y sus accesorios, los motores de reacción usualmente se utilizan para poner en
movimiento aviones. Existen varias clases de motores de propulsión por reacción y se
apoyan en las diferentes maneras de realizar los procesos de compresión y expansión.
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El turbo reactor que se muestra en la figura 5 tiene la ventaja de un difusor
para reducir el trabajo de compresión. El compresor de flujo axial completa el trabajo
de compresión, y enseguida se inyecta el combustible en la cámara de combustión.
Los gases calientes producto de la combustión, primero pasan a través de una turbina
donde la expansión proporciona la energía suficiente para impulsar el compresor. El
resto de la expansión a la presión del escape se lleva a cabo en la tobera. En este
punto, la velocidad de los gases con respecto al motor se incrementa a un nivel mayor
que la del aire que entra. Este aumento en la velocidad proporciona un empuje
(fuerza) en el motor hacia delante.
Un motor de propulsión difiere del motor de reacción en que el agente
oxidante lo lleva el motor. En lugar de depender del aire circundante para quemar el
combustible, el cohete es autónomo: lo anterior significa que el cohete puede
funcionar en el vacío, (por ejemplo en el espacio exterior). Es mejor el
funcionamiento en vacio por qué no requiere empuje para superar la fuerza de
fricción.
En los cohetes donde se queman combustibles líquidos, el agente oxidante
(por ejemplo, oxigeno liquido) se bombea desde los tanques a la cámara de
combustión. De manera simultánea, el combustible (por ejemplo, hidrogeno,
keroseno) se bombea hacia la cámara y se quema. La combustión ocurre a una alta
presión constante y produce gases a alta temperatura que se expande en una tobera,
como se indica en la figura de los anexos.
En los cohetes que queman combustible sólidos, el combustible (polímeros
orgánicos) y el oxidante (por ejemplo, perclorato de amonio) están contenidos en una
matriz solida y se almacena en el extremo delantero de la cámara de combustión.
Un cohete ideal, las etapas de combustión y expansión son las mismas que las
de un motor de reacción ideal. Un cohete de combustión solido no requiere trabajo de
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compresión, mientras que en un cohete de combustible líquido la energía de
compresión es reducida, puesto que el combustible y el oxidante se bombean como
líquidos.
Ciclo ideal de propulsión por reacción: Los motores de turbina de gas tienen
un uso amplio para impulsar aeronaves, porque son ligeras y compactas y tienen una
elevada relación de potencia peso. Las turbinas de gas para aviones operan en un
clico abierto llamado ciclo de propulsión por reacción. El ciclo de propulsión por
reacción ideal difiere del ciclo bryton ideal en que los gases no se expanden hasta la
presión ambiente en la turbina. En vez de ello, se expanden hasta una presión tal que
la potencia producida por la turbina es la suficiente para accionar el compresor y el
equipo auxiliar, como un generador pequeño en bombas hidráulicas.
Los gases que salen de la turbina a una presión relativamente alta se aceleran
en tobera para brindar el empuje que impulsa al avión. También las turbinas de gas
para aviones operan las relaciones de presión mayores y el fluido primero pasa por un
difusor donde se desacelera y supresión se incrementa antes de que entre la
compresión.
Los aviones son impulsados por la aceleración de un fluido en la dirección
opuesta al movimiento. Esto se logra al acelerar ligeramente una gran masa de fluidos
(motor accionado por una hélice) o al acelerar considerablemente una pequeña masa
de fluido (motor de reacción o turborreactor) o de las dos formas motor de
turbohélices.
Un esquema de un turbo reactor y el diagrama T – s y el ciclo del turbo
reactor ideal. La presión del aire aumenta ligeramente cuando se desacelera en el
difusor. El aire se comprime en el compresor. Se mezcla con combustible en la
cámara de combustión, donde la mezcla se quema a presión constante. Los gases de
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combustión alta presión y a alta temperatura se expanden parcialmente en la turbina,
y produce una suficiente potencia para accionar el compresor y otros equipos. Por
último, los gases se expanden en una tobera hasta la presión ambiente y salen de
avión a alta velocidad.
Modificaciones para los motores del turbo reactor. La totalidad de los
primeros aviones cuando se construyeron eran accionados mediante propulsores
accionados por maquinas idénticas a los motores de automóviles. El principal avance
de la aviación sucedió con la introducción del turbo reactor 1952. Tanto los motores
accionados por hélice como los activados por propulsión a reacción tienen sus propias
ventajas y limitaciones, y se han hecho varios intentos para combinar las
características deseables de ambos en un motor. Dos de esas modificaciones son el
motor de propulsión y el turbo ventilador.
El motor utilizado mas ampliamente en la propulsión de aviones es el motor
del turbo generador, donde un gran ventilador accionado por una turbina obliga a que
una gran cantidad de aire circule por un ducto (cubierta) que rodea la maquina. El
escape del ventilado sale del ducto a una velocidad más alta incremento de manera
significativa el empuje total del motor. Un motor de turbo generador se basa en el
principio de la potencia, un gran volumen de aire que se mueve con más lentitud
producidora empuje que un volumen de aire que se mueve rápidamente.
El motor de turboventilador de un avión se distingue del menos eficiente turbo
reactor por su gruesa cubierta para el gran ventilador. Todo el empuje del turbo
reactor se debe a los gases del escape que salen del avión aproximadamente al doble
de la velocidad del sonido. En un motor de turbo ventilador los gases de escape a alta
velocidad se mezclan con el aire de velocidad inferior, lo que reduce ruido
considerablemente.
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Nuevas técnicas de enfriamiento han originado incrementos notables en la
eficiencia permitiendo que la temperatura del gas a la salida del quemador alcancen
valores mayores a 1500 °C que están 100 °C del punto de fusión de los materiales de
la alabes de las turbinas. Los motores de turbo generador merecen la mayor parte de
crédito en el éxito de los jumbo jet que pesan caso 4000 toneladas y son capaces de
trasportar mas 400 pasajeros a distancias mayores a 10000Km con velocidades
superiores a 950Km/h.
4.5.Propulsión alternativa:
Desde hace muchos años los medios de transporte desde cohetes hasta carros,
han utilizado la gasolina como medio para operar. Los antiguos motores de vapor y
electricidad ya pasaron a la historia. Pero el uso y abuso de químicos como la
gasolina, solo traen consecuencias preocupantes para el medio ambiente debido a su
emisión de CO2 (Dióxido de Carbono). El exceso de monóxido de carbono, óxidos
nitrogenados y otros gases químicos, son los que generan contaminación y grandes
daños a la salud.
Motor de hidrógeno: Los coches de hidrógeno son automóviles que basan en
este elemento su forma primaria de obtener poder para su locomoción. Estos
vehículos pueden funcionar mediante combustión, donde el hidrógeno es “quemado”
como lo hacen los tradicionales combustibles. O mediante la conversión de células de
combustible que convierten el hidrógeno en electricidad y luego esta en energía para
el funcionamiento del motor.
Funcionamiento: El motor eléctrico situado debajo del capó, recibe la
alimentación desde las células de combustible, que generan electricidad al mezclar el
hidrógeno que contiene el depósito de combustible y el oxígeno del aire. El único
residuo que genera esta reacción es vapor de agua. Una celda o célula de combustible
es un generador que se basa en procesos químicos para producir energía al combinar
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el hidrógeno y el oxígeno. La célula de combustible produce corriente eléctrica como
una batería, pero al contrario que ésta, nunca se descarga mientras se disponga de
combustible en el depósito de hidrógeno. Una célula de combustible es silenciosa,
limpia y eficiente, por lo que nos olvidaremos para siempre de los ruidos del motor.
Automóviles Híbridos: Se han llamado “híbridos” a los automóviles que
utilizan un motor eléctrico, y un motor de combustión interna para realizar su trabajo.
A diferencia de los automóviles solo eléctricos, hay vehículos híbridos que no es
necesario conectar a una toma de corriente para recargar las baterías, el generador y el
sistema de "frenos regenerativos" se encargan de mantener la carga de las mismas. Al
utilizar el motor térmico para recargar las baterías, se necesitan menor número de
estas por lo que el peso total del vehículo es menor ya que el motor térmico suele ser
pequeño. Tradicionalmente, los motores que han propulsado a los automóviles
convencionales han sido sobredimensionados con respecto a lo estrictamente
necesario para un uso habitual. La nota dominante ha sido, y es aún, equipar con
motores capaces de dar una potencia bastante grande, pero que sólo es requerida
durante un mínimo tiempo en la vida útil de un vehículo. Los híbridos se equipan con
motores de combustión interna, diseñados para funcionar con su máxima eficiencia.
Si se genera más energía de la necesaria, el motor eléctrico se usa como generador y
carga las baterías del sistema. En otras situaciones, funciona sólo el motor eléctrico,
alimentándose de la energía guardada en la batería. En algunos híbridos es posible
recuperar la energía cinética al frenar, que suele disiparse en forma de calor en los
frenos, convirtiéndola en energía eléctrica. Este tipo de frenos se suele llamar
"regenerativos". La combinación de un motor de combustión operando siempre a su
máxima eficiencia, y la recuperación de energía del frenado (útil especialmente en la
ciudad), hace que estos vehículos alcancen mejores rendimientos que los vehículos
convencionales. Se dispone de un sistema electrónico para determinar qué motor usar
y cuándo hacerlo. Los híbridos se pueden fabricar en diferentes configuraciones:
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 Paralelos: tanto la parte eléctrica como la térmica pueden hacer girar las
ruedas.
 En serie: solo la parte eléctrica da tracción, el motor térmico se utiliza para
generar electricidad.
También se pueden clasificar según sea la carga de las baterías. •
 Regulares: se recargan por el funcionamiento normal del vehículo.
 Enchufables: también se recargan conectándose a la red eléctrica.
Ventajas:
Esta tecnología ha permitido conseguir que el consumo de combustible sea de
un 20% hasta un 60% menor que en vehículos comparables de tipo convencional. Se
maximiza el rendimiento del uso del combustible, pues los motores de combustión
interna para híbridos son fabricados pensando en el mayor rendimiento. Reducción de
emisión de gases dañinos para el medio ambiente y los seres vivos.
Desventajas:
Los vehículos híbridos tienen menos potencia (CVs) que automóviles
convencionales comparables. No obstante, el avance de esta tecnología apunta a
aminorar esta brecha y tanto la velocidad máxima del vehículo, como la autonomía
son parecidas a los puramente térmicos. Mayor peso que un coche convencional (hay
que sumar el motor eléctrico y, sobre todo, las baterías), y por ello un incremento en
la energía necesaria para desplazarlo. El peso del vehículo se puede aminorar usando
carrocerías más ligeras de aluminio, fibra de carbono o fibra de vidrio. Más
complejidad, lo que dificulta las revisiones y reparaciones del vehículo. La inversión
inicial es mayor para adquirir un “híbrido” que para adquirir un “convencional”
comparable. Sin embargo, el ahorro económico que le entrega el menor consumo de
combustible le devuelve esa inversión.
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La propulsión por medios eléctricos. La propulsión eléctrica es aquella en que
los propulsores (conjunto de ejes y hélices) son accionados por medio de
electromotores que son alimentados mediante baterías de acumuladores o por
generadores eléctricos que son movidos por turbinas o por motores diesel.
Las pruebas con motores eléctricos y la instalación de los mismos no fue
abandonada así en 1884 se construyó en Londres una embarcación propulsada por un
motor eléctrico de 9 caballos alimentado por acumuladores, en septiembre de 1888
Isaac Peral bota su sumergible que está dotado de dos motores de 30 caballos cada
uno y que también son alimentados por acumuladores, Gustav Zédé bota su Gymnote
con un motor eléctrico de 50 caballos en ese mismo año. La propulsión eléctrica
puede considerarse dividida en tres clases

Propulsión por baterías

Propulsión turbo-eléctrica

Propulsión diesel-eléctrica
Propulsión por baterías de acumuladores.
Se trata del único sistema de propulsión eléctrica pura y se emplea por lo
general para la propulsión de sumergibles y submarinos en inmersión y en algunas
embarcaciones menores.
Las
plantas de éste tipo se componen de un electromotor por cada eje
propulsor, alimentados por la energía que suministran un grupo de baterías de
acumuladores.
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Una imagen de un sistema de propulsión eléctrica en gris podemos ver el
sistema adoptado a partir de la utilización de los motores Diesel trabajando tanto
como propulsores como de ayuda para el movimiento de motores generadores en la
carga de baterías.
Para el caso concreto de sumergibles y submarinos la planta consiste en un
motor-generador eléctrico por eje que va acoplado por un lado (proa) a un motor
diesel y por el opuesto (popa) al eje propulsor. En inmersión se desacopla el motor o
motores diesel y se usan los electromotores como propulsores.
4.6.Propulsión turbo-eléctrica
En este sistema se utilizan electromotores para mover los ejes propulsores, la
energía que los electromotores consumen proviene de
generadores eléctricos
movidos por turbinas de vapor que se acoplan a dichos generadores bien directamente
bien por medio de engranajes reductores.
El sistema permite compaginar el rendimiento de las turbinas y de los motores
propulsores al hacer que dichas turbinas puedan girar a un elevado número de
revoluciones mientras los motores eléctricos lo hacen al régimen requerido por las
hélices y a un número de revoluciones comprendido generalmente entre las 60 y 250
a 400 r.p.m.
Propulsión Diesel-eléctrica: En éste tipo de propulsión la energía es
suministrada por generadores eléctricos movidos por motores diesel que alimentan a
los motores eléctricos acoplados a los ejes propulsores.
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Una instalación Diesel-eléctrica consta de uno o más motores acoplados a
igual número de generadores eléctricos que suministran la corriente al motor o
motores eléctricos encargados de la propulsión.
Los motores Diesel son irreversibles, esto es giran siempre en el mismo
sentido y por tanto de construcción sencilla. El régimen de giro se encuentra entre las
250 y 600 r.p.m. y la corriente empleada puede ser continua o alterna, en un principio
y durante bastante tiempo fue usada de un modo casi exclusivo la corriente continua
porque presentaba las ventajas, de fácil acoplamiento a las dínamos y una mayor
facilidad en los cambios de régimen y maniobra. En la actualidad se utilizan
indistintamente corriente alterna o continua con mayor preferencia por la alterna para
los casos de elevadas potencias debido a las dificultades de empleo de elevados
voltajes con corriente continua.
A favor del sistema de transporte representado por el autobús existen muchos
argumentos positivos: es flexible y fiable, seguro y confortable, limpio y silencioso.
El autobús juega un papel pionero sobre todo en lo relativo al tema de la
compatibilidad medioambiental, por ejemplo con los modernos motores Diesel de
MAN, que cumplen con la normativa Euro5 y el estándar EEV, reduciendo así de
nuevo considerablemente las emisiones de sustancias contaminantes. Pero nada es tan
bueno que no pueda mejorarse: con esta divisa asume su responsabilidad el grupo
MAN, desarrollando conceptos de propulsión innovadores.
Gas natural o gas licuado, motor de combustión interna de hidrógeno, pila de
combustible, propulsión eléctrica o híbrida – las marcas internacionales MAN y
NEOPLAN trabajan con éxito desde hace medio siglo en el sector de las
denominadas propulsiones alternativas.
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Conclusión.
La investigación para el diseño de motores más eficientes que utilicen menos
combustible y generen mayor empuje continúa. Ahora existen nuevos materiales que
resisten temperaturas más altas. Las entradas de aire, los compresores, las turbinas, y
las toberas de eyección continúan mejorando. Un área relativamente nueva, la teoría
de controles activos, ha mostrado resultados prometedores. Por citar un ejemplo, en
un sistema de controles activos, hay circuitos integrados que vigilan las condiciones
que existen a través motor. La computadora se encarga de realizar leves cambios en
las cantidades de combustible y aire que usa el combustor para lograr una mejor la
combustión, o podría también cambiar levemente la forma de la entrada o del difusor
de salida para mejorar la aerodinámica.
El diseño de motores supersónicos e hipersónicos representa un gran desafío.
Los aviones de hoy, especialmente los militares, deben operar bajo muchas y variadas
condiciones: subsónicas, supersónicas e hipersónicas. Diseños híbridos (mezclados)
que incluyen diferentes combinaciones de turborreactores, y cohetes son el foco de
investigación en la actualidad. Varias combinaciones se encuentran ahora en etapa de
diseño.
Ya sea que la meta sea mejorar los motores existentes para satisfacer las
necesidades del transporte aéreo mundial, o diseñar los motores de los aviones
supersónicos e hipersónicos del futuro, hay lugar todavía para muchos más ingenieros
y muchísimas más ideas. ¡Aún quedan muchos desafíos por enfrentar!
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Bibliografía.
Texto.
Smith V. (2007). Introducción
A La Termodinámica En Ingeniera
Química. Séptima Edición Mc Graw Hill. México. Motores De Reacción: Motor De
Propulsión. Pag. 311
Yunus A. (2004). Termodinámica. Cuarta Edición Mc Graw Hill. México.
Capitulo 14: reacciones Químicas.
Wark K. (2003). Termodinámica. Sexta Edición Mc Graw Hill. México.
Capitulo 15: ciclos de potencia de gas.
Web.
http://www.ricepropulsion.com/TNLS/que_es_la_propulsion.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimiento
http://wings.avkids.com/Libro/index.html
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