Imagínese un cohete encendido, arrojando llamas brillantes mientras se libera de la atracción gravitatoria de la Tierra y se eleva hacia el cielo.Pero de dónde viene el empuje¿Cómo supera la resistencia del aire y el propio peso del vehículo? Este artículo explora los fundamentos del empuje, desde los principios básicos hasta el diseño del motor,revelando los secretos fundamentales de los sistemas de propulsión aeroespacial.

El empuje es la fuerza que propulsa el avión a través del aire. Ya sea superando la resistencia del avión o contrarrestando el peso de un cohete, el empuje hace posible el vuelo.el empuje se produce a través de varios sistemas de propulsión.

El empuje es una fuerza mecánica creada a través de la fuerza de reacción de la masa de gas acelerada.demostrando la Tercera Ley de Newton (acción y reacción)Como una cantidad vectorial, el empuje tiene magnitud y dirección. El motor realiza trabajo sobre el gas, acelerándolo hacia atrás mientras genera empuje en la dirección opuesta.La magnitud del empuje depende de la cantidad de gas acelerado y su cambio de velocidad a través del motor.

Según la segunda ley de Newton, la fuerza (F) es igual a la velocidad de cambio del momento de un objeto.La fuerza puede expresarse como:

Con masa constante y velocidad cambiante, esto se simplifica a la ecuación familiar:

Mientras que el seguimiento de la masa es sencillo para sólidos, los fluidos (líquidos o gases) requieren parámetros diferentes.La velocidad de flujo de masa se convierte en crucial, definida como la masa que pasa a través de un plano determinado por unidad de tiempo (kg/seg)Es igual a la densidad (ρ) multiplicada por la velocidad (V) y el área (A). Los aerodinámicos lo denotan como ṁ (punto m):

La notación de punto representa una derivada del tiempo (d/dt), haciendo ṁ la tasa de flujo de masa en lugar de simplemente masa.Podemos expresar el cambio de momento en un dispositivo de propulsión como el cambio de la tasa de flujo de masa multiplicado por la velocidad. Etiquetando la salida como estación "e" y el flujo libre como estación "0":

Cuando la presión de salida (pe) difiere de la presión de la corriente libre (p0), debemos incluir un término adicional que tenga en cuenta el efecto del área de presión.

Por lo general, el término de área de presión sigue siendo pequeño en comparación con los componentes ṁV.

La ecuación de empuje revela dos métodos principales para generar un empuje alto.donde incluso los aumentos de velocidad modestos producen un empuje sustancial, el principio detrás de los aviones de hélice y los motores turbofan de alto paso.El segundo enfoque se centra en maximizar la velocidad de salida en relación con la velocidad de entrada, como se ve en turborreactores, motores de poscombustión y cohetes.Cada método implica diferentes compensaciones de eficiencia en rangos de velocidades extremas.

Para los motores de turbina de gas con boquillas diseñadas para igualar las presiones de salida y de flujo libre, la ecuación general se simplifica eliminando el término de presión:

El primer término representa el empuje total, mientras que el segundo se convierte en resistencia del arco.

Los motores de cohetes, que llevan su propio oxidante, simplifican de manera diferente:

El rendimiento del cohete a menudo utiliza impulso específico (Isp), que elimina la dependencia del flujo de masa:

Donde Veq es la velocidad equivalente (velocidad de salida de la boquilla más el término de presión) y g0 es la aceleración gravitacional.

Tanto para los cohetes como para los motores a reacción, las boquillas cumplen dos funciones vitales: determinar la velocidad de salida para condiciones de presión/temperatura dadas y establecer la tasa de flujo de masa a través de la asfixia de la garganta.El diseño de la boquilla determina fundamentalmente el empuje del sistema de propulsión.

La generación de empuje se basa en la conversión de energía, típicamente a través de la combustión de combustible, para acelerar los gases.,todos obedecen estos principios físicos fundamentales.