China quiere revolucionar el vuelo hipersónico de aviones y misiles con un ingrediente explosivo: el magnesio

China y Estados Unidos están inmersos en una carrera que no se libra en tierra firme, sino en el aire con un objetivo común: lograr velocidades de más de 7.000 km/h. Ambos tienen varios proyectos de aviones hipersónicos con potencial tanto militar como civil y, aunque EEUU parece más reservado, China de vez en cuando sale a la palestra para hablar de sus logros tecnológicos.

Lo último es un motor capaz de ir a Mach 6 gracias a una fórmula de combustible con un ingrediente especial: el magnesio.

Mach 6. Cuando hablamos de velocidades hipersónicas, lo que utilizamos para medirlo es el indicador Mach 1. Es el que representa la velocidad del sonido, establecida en 1.235 km/h. Así, una velocidad Mach 2 equivaldría a dos veces la velocidad del sonido. Bien, pues lo que están probando en la Universidad Beihang de Pekín es una técnica que permite duplicar el empuje de los motores hipersónicos actuales para alcanzar velocidades Mach 6 y superiores.

Cuesta hacerse una idea de las cantidades de las que hablamos, ya que estamos hablando de velocidades de más de 2.000 metros por segundo o de alrededor de 7.000 kilómetros por hora. Sería como ir de Madrid a Nueva Delhi en una hora. Ese trayecto, actualmente, lleva entre ocho y diez horas. O cruzar el Atlántico en tres.

Scramjets. El objetivo de los investigadores es redefinir la aviación hipersónica gracias a una técnica de combustión que, como leemos en South China Morning Post, prácticamente duplica el empuje de un motor scramjet. Es la abreviatura de “supersonic combustion ramjets”, siendo estos ramjets los motores a reacción creados para alcanzar velocidades Mach 3. Para funcionar, el aire entra al motor a una alta velocidad. Son motores sin turbinas que comprimen ese aire a velocidad supersónica (no se desacelera a subsónica como en los ramjets) y, entonces, se inyecta el combustible.

Puede ser hidrógeno, pero también queroseno, que se mezcla con el aire comprimido y, como resultado, se genera un chorro supersónico de gases calientes que propulsa el vehículo. Cuando se produce por primera vez, es cuando se rompe la barrera del sonido y se escucha algo similar a una explosión.

Ingrediente “secreto”. El problema de los motores scramjet es que, a velocidades extremas, la energía generada por el combustible se estabiliza, pero añadiendo magnesio a la fórmula de combustible, la cosa cambia. El equipo chino escogió el magnesio al ser un metal con una reactividad violenta.

Cuando el queroseno se quema genera CO₂ residual, pero cuando inyectan polvo de magnesio, ese CO₂ actúa como oxidante encendiendo las partículas de magnesio. Yang Qingchun es el director del proyecto y comenta que “el magnesio no necesita oxígeno atmosférico”, por lo que esas partículas de polvo de magnesio reaccionan de formas explosivas con los gases residuales que antes se desperdiciaban, liberando ahora una energía adicional.

Pruebas. Y han hecho pruebas. En condiciones que simulan un vuelo a Mach 6 a 30 kilómetros de altitud y utilizando combustible comercial para aviones, la inyección de magnesio aumentó el empuje en un 86,6% con una eficiencia de combustión del 65,1%. Esto permite aumentar el empuje del motor de 613 newtons-segundo por kilogramo a 1.126 newtons-segundo por kilogramo.

A esa velocidad, el queroseno se quema prácticamente por completo, el polvo de magnesio se enciende al contacto y libera el calor entre dos y tres veces más rápido que sólo el queroseno. Pero la velocidad no es la única ventaja. Algo crucial es no sobrecalentar el turborreactor, por lo que los investigadores han estudiado cómo optimizar el proceso para aumentar el rendimiento sin que ello conlleve un aumento de la temperatura.

Así, es el queroseno el que actúa como refrigerante de las paredes del motor mediante la refrigeración regenerativa. el magnesio, que se añade más adelante, arde en una “tormenta de fuego supersónica”, según los investigadores, que es estabilizada gracias a una ruta de flujo optimizada que, a su vez, ayuda a conseguir ese empuje más potente.

Retos. Pero claro, cuanto mayor es la velocidad, mayores son los retos. Ya hemos comentado que la temperatura es algo que juega en contra de las naves supersónicas debido a que deben resistir una fricción que hace que la temperatura se eleve por encima de los 1.500 grados Celsius. Además, a más velocidad, más turbulencias. El equipo expone que esa turbulencia supersónica conlleva el riesgo de una dispersión desigual del polvo de magnesio dentro del postquemador.

Si hay una mala penetración de las partículas, o una inyección irregular, la ganancia de empuje cae hasta casi un 20%. Es algo que provoca que el motor sea muy inestable. Además, esas partículas de magnesio que “explotan” son un arma de doble filo. Por un lado, la explosión genera esa reacción violenta que aumenta el empuje, pero a la vez las partículas se convierten en microcuchillas que pueden dañar el motor. Por eso, hay que investigar motores con capacidad para resistir los impactos en su interior.

Por otro lado, hay que estabilizar la inyección de magnesio porque se postula como algo ideal para alcanzar rápidamente velocidades hipersónicas y mantenerlas, pero si una nave fluctúa en velocidad, es un combustible inestable. Han añadido gas nitrógeno para estabilizar la entrada de las partículas, pero el equipo confiesa que es “tan difícil como enhebrar una aguja en medio de un huracán”.

Proyectos. Es algo en lo que China va a seguir trabajando porque es el propio equipo el que afirma que no es algo únicamente para aviones: Yang comenta que su diseño puede reducir el peso de lanzamiento o extender el alcance de misiles. Van a probar a inyectar magnesio a escala nanométrica para ver si es más eficiente, pero está claro que es un proyecto que interesa al país. Y es que, sí, China ya ha probado velocidades más altas, pero lo que buscan es más estabilidad y la forma de cambiar entre velocidades a placer, no de una forma tan lineal.

Y lo hace porque Estados Unidos también está trabajando en ello. No sólo en aviones como el Blackbird, sino también en sistemas como el Dark Eagle, un misil con un alcance de más de 3.000 kilómetros y capaz de alcanzar velocidades superiores a Mach 17 (unos 20.000 km/h) con sistemas para cambiar tanto la trayectoria como la altitud, haciendo que sea más difícil de detectar y, sobre todo, de interceptar.

Imagen | Ensign John Gay, Rupprecht_A