Si alguna vez has visto un avión de combate despegar con sus postquemadores encendidos, es posible que hayas notado un fenómeno inusual: los “diamantes de choque”. Más adelante explicaremos con más detalle por qué ocurren los diamantes de choque, pero en pocas palabras, ocurren cuando el flujo de escape supersónico de un motor de postcombustión interactúa con la atmósfera circundante. Si bien los motores a reacción de postcombustión son un lugar donde estos pueden ocurrir, los diamantes de choque también pueden ocurrir con los sistemas de misiles y lanzamientos de cohetes.
La clave es alcanzar velocidades más rápidas que el sonido. Las velocidades supersónicas son increíblemente rápidas; sin embargo, los diamantes de choque no necesitan que el avión o el misil viajen a velocidades de Mach, sólo sus gases de escape. Por eso los diamantes de choque también se conocen como diamantes Mach o discos Mach. Si bien estos ciertamente parecen dramáticos y espectaculares, en realidad son solo una representación visual de lo que sucede cuando los gases de escape supersónicos se encuentran cara a cara con la presión atmosférica fuera del motor.
Este fenómeno se observa con mayor frecuencia en altitudes más bajas, porque los gases de escape del postquemador explotan hacia un aire mucho más denso y de mayor presión. Es esta presión la que hace que los gases supersónicos formen formas brillantes “parecidas a diamantes” que reconocemos como diamantes de choque. A medida que un avión de combate asciende y el aire circundante se diluye, los diamantes comienzan a aumentar de tamaño pero disminuyen en número.
Echemos un vistazo más de cerca a los diamantes de choque del postquemador y la física detrás de esta espectacular exhibición.
La física detrás de los diamantes de choque
En pocas palabras, los diamantes de choque se forman porque el escape que sale de un motor a reacción o de cohete se mueve a una velocidad supersónica y a una presión que no coincide con la atmósfera circundante. Cuando un flujo es supersónico, no puede adaptarse suavemente a los cambios de presión de la misma manera que lo hace el aire subsónico. Para hacer una analogía muy aproximada, podríamos comparar las diferencias entre velocidades supersónicas y subsónicas con señales digitales y analógicas. Mientras que los gases de escape subsónicos reaccionarán continuamente con la atmósfera circundante, los gases supersónicos reaccionan en una serie de distintas ondas de compresión y expansión. Es este proceso el que crea el patrón repetitivo de ondas de choque y regiones de expansión que se acumulan a lo largo de la columna de escape. Estas regiones apiladas son lo que se conocen como diamantes de choque, y las zonas alternas de alta y baja presión (o unos y ceros en nuestra analogía) dentro de ellas son las que producen las formas de diamantes brillantes y oscuros.
El patrón exacto depende de cómo se compara la presión de escape con la presión del aire ambiente. Cerca del suelo, la columna de escape suele estar demasiado expandida, lo que significa que su presión es más baja que la de la atmósfera. En este caso, la columna se comprime hacia adentro antes de expandirse nuevamente, repitiendo el patrón de onda de choque asociado con los diamantes de choque. En altitudes más altas, donde hay menor presión de aire, el flujo de escape puede quedar insuficientemente expandido; Esto también puede producir el efecto diamante de choque. En ambos casos, el escape intenta igualarse con el aire circundante y el proceso repetido de compresión y expansión continúa hasta que las dos presiones coincidan.
¿Por qué los postquemadores hacen brillar los diamantes de choque?
Para comprender por qué se forman los diamantes de choque y el papel de los postquemadores en el proceso, es útil echar un vistazo rápido a la ciencia detrás de los postquemadores. Cuando se activa un postquemador, un efecto inmediato es el empuje adicional que produce el motor. Esto se debe a que los postquemadores funcionan inyectando combustible adicional en la corriente de escape caliente después de que pasa a través de la turbina (de ahí el nombre de postquemador). Debido a que el escape ya está extremadamente caliente, el combustible se enciende casi de inmediato; esto crea una columna de humo mucho más caliente y rápida que la que el motor puede producir por sí solo.
Por supuesto, más rápido significa más potencia y sustancialmente. Por ejemplo, uno de los motores a reacción más potentes jamás fabricados, el Pratt & Whitney F-135, tiene un empuje nominal de 28.000 libras; con postcombustión, esto aumenta a 43.000 libras. Pero junto con todo ese empuje añadido, los gases de escape más calientes también exageran el desajuste de presión entre el escape y el aire circundante. Como se señaló, es esta falta de coincidencia la que forma los diamantes de choque.
Otro aspecto de la interacción entre los gases de escape y el aire es algo llamado “choque normal”, una característica causada por ondas de choque que ocurren perpendicularmente al flujo de aire. A medida que los gases supersónicos atraviesan esta onda de choque, su temperatura aumenta. Este salto repentino es suficiente para encender cualquier combustible no quemado que quede en el flujo, lo que hace que el disco de Mach brille y cree un patrón de anillo.
