De igual forma que todo medio de transporte, un avión necesita de una fuerza que lo propulse. Esta generación de propulsión es fundamental en un avión ya que a diferencia de otros medios de transporte, la propulsión debe ser permanente, de lo contrario el avión deja de volar, mientras que otro tipo de vehículos siempre tienen la alternativa de frenar o detenerse en cualquier momento.
La fuerza que genera la propulsión al avión recibe el nombre de tracción cuando se genera por delante del avión (tira del avión) o empuje cuando se genera por detrás el avión (Empuja al avión). Esta fuerza es generada por un sistema de propulsión que puede ser generado por uno o más motores.
La Tracción o el Empuje, se obtienen desplazando una masa de aire desde el frente del avión hacia atrás del avión. Acorde con la tercera ley de Newton, esta acción provoca una reacción de la misma intensidad pero en sentido opuesto, dando paso a la propulsión del avión.
La aceleración de la masa de aire, se logra por la rotación de una hélice, movida por un motor convencional de pistón o una turbina de gas, o por la expulsión a muy alta velocidad del flujo de gases generado por una turbina de gas. Ambos tipos de motor, de pistón o turbina, convierten la energía química contenida en el combustible en energía mecánica capaz de propulsar al avión, quemando dicho combustible, razón por la cual reciben el nombre de motores de combustión interna.
El conocimiento entorno al funcionamiento de motores puede ser de total utilidad para un piloto, en cuanto puede ayudar a entender su eficiencia, evitar someter el componente a desgastes y asi preservar su vida util y sobretodo a evitar fallas que puedan generar situaciones de riesgo en vuelo.
Motores de pistón:
Los motores de pistón son los más comunes en la aviación general, muy similares a los motores de un automóvil pero con tres importantes diferencias:
- El sistema de encendido de los aviones de aviación general posee un sistema doble. Cada cilindro tiene dos bujías y el motor posee dos magnetos, de tal forma de no concentrar la responsabilidad de generación de chispa en las bujías en un solo magneto.
- La mayoría de los motores de aviación general están refrigerados por aire, de tal forma de no depender de un sistema de radiación que añada peso a la aeronave.
- Dado que los motores de aviación funcionan a distintas altitudes, el piloto dispone de un control manual de la mezcla, control que utiliza para ajustar la proporción adecuada de combustible y aire que entra a los cilindros para mantener la eficiencia del motor durante las distintas fases de un vuelo.
Este tipo de motor consta básicamente de cilindros, pistones, bielas y un cigüeñal. En el interior de cada cilindro, un pistón realiza un movimiento de arriba abajo, movimiento que mediante una biela transmite al cigüeñal de forma que el movimiento rectilíneo del pistón se convierte en movimiento giratorio del cigüeñal. En la parte superior del cilindro, se encuentran normalmente las bujías, una o más válvulas de entrada de la mezcla, y una o más válvulas de salida de los gases quemados.
La mayoría de estos motores son de cuatro tiempos, llamados así porque un ciclo completo de trabajo se realiza en cuatro movimientos del pistón:
- Admisión
- Compresión
- Ignición
- Escape
Motores a Reacción – Turbina a Gas:
Una turbina a gas convierte la energía derivada de la combustión de un elemento, normalmente Kerosene, en energía mecánica en forma de chorro de aire de alta presión y alta temperatura. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para mover un mecanismo propulsor tal como la hélice de un motor o el rotor de un helicóptero, o para generar el empuje ya mencionado.
Estos tipos de mtorores constan de cuatro partes: compresor, cámaras de combustión, turbina, y tobera de salida, y su funcionamiento es el siguiente: El aire entra por un gran conducto de entrada a la zona de compresores; en esta zona, un primer rotor con alabes comprime el aire, un segundo rotor lo comprime aún más, y así sucesivamente hasta alcanzar de 10 a 40 veces la presión del aire de entrada. Este aire pasa mediante difusores a las cámaras de combustión, donde un flujo constante de combustible es quemado a una presión casi constante.
La combustión provoca la expansión violenta de los gases producidos, en forma de chorro de alta presión, temperatura (hasta 1500º C) y velocidad. En su camino de salida, el chorro mueve una turbina que comparte eje con los compresores, de manera que parte de la energía del chorro hace girar aquellos, en general a más de 10.000 revoluciones por minuto. Por último, este chorro de gases se libera a la atmósfera a través de la tobera de salida.
Si se compara este ciclo de trabajo con el de un motor de pistón, vemos que es similar (admisión, compresión, explosión o combustión, y escape). La diferencia es que mientras en un motor de pistón se producen tantos ciclos de trabajo en 2 vueltas del cigüeñal como número de cilindros tiene, en una turbina el ciclo de trabajo es un proceso continuo.
Una versión más moderna de turbina es la denominada turbofán. En esta, un gran rotor delante de la sección de compresores produce un flujo de aire a baja presión que no pasa por las cámaras de combustión, sino que es mezclado con el chorro de salida incrementando la masa de aire acelerado. Este sistema de mover grandes volúmenes de aire a una velocidad más baja, incrementa la eficiencia de la turbina consumiendo menos combustible y produciendo un nivel menor de ruido.
En algunos casos, el chorro de aire que sale de la turbina vuelve a ser quemado (postcombustión) generando una fuerza de aceleración adicional, pero debido al excesivo gasto de combustible de este procedimiento, hoy solo se emplea en aviones militares, y en el pasado se empleó en el sistema de propulsión del Concorde, hoy ya retirado hace varios años.
Adicionalmente para ayudar en el frenado del avión tras el aterrizaje, este tipo de motores suelen tener unos dispositivos que se interponen en la tobera de salida, cambiando la dirección de salida del flujo de gases hacia adelante, ayudando a la desaceleración del avión.
Propulsión por turbinas.
Existen dos formas generales de convertir la energía de los gases de salida de la turbina en fuerza de propulsión.
- Un rotor colocado en el flujo del chorro extrae la potencia mecánica para mover un propulsor externo, por ejemplo una hélice; en este caso el empuje o tracción es generado por la aceleración de la masa de aire por la hélice. En este tipo de propulsión denominado turbohélice, la turbina mueve la hélice a través de un mecanismo reductor. Los turbohélices son más eficaces que los reactores a velocidades de hasta 300 mph, pero pierden eficacia a mayores velocidades. Si la turbina es de tipo turbofán, se obtiene un altísimo flujo de aire usando hélices de paso muy alto.
- El chorro de alta energía producido es dirigido a una tobera que acelera el chorro a muy alta velocidad en su salida a la atmósfera; en este caso el empuje es generado por la propia energía del chorro de salida. Este tipo de propulsión se denomina turbojet.
Para finalizar:
La eficiencia de un motor se expresa en términos de potencia, velocidad, y consumo de combustible. En un motor de pistón, parte de la potencia generada en los cilindros se pierde debido a la resistencia por fricción de los elementos mecánicos del motor. Igualmente, hay una gran cantidad de energía contenida en el flujo de gas de una turbina que no es totalmente aprovechada para proporcionar propulsión. La eficiencia mecánica de un motor es la fracción de la energía disponible que es aprovechada para impulsar al avión, comparada con la energía total de la combustión o el flujo de gases.