EL MOTOR DEL EUROFIGHTER EJ200

Por:  Javier Sánchez Horneros

Los orígenes

El EJ200 comenzó a gestarse hace más de 30 años, como el demostrador XG-40 ACME (Advanced Core Military Engine o núcleo avanzado de motor militar), que se dividió y planificó originalmente en tres etapas, solapadas en el tiempo las dos primeras: la primera de ellas, la tecnológica (1982-1988), la segunda de motorización (1984-1989) y la tercera de evaluación/valoración (1989-1995).

El objetivo prioritario de este programa era desarrollar, como un proyecto conjunto entre Rolls Royce y el Ministerio de Defensa Británico, un motor completamente nuevo, basado en las nuevas tecnologías y avances disponibles en el campo de materiales de construcción y sistemas y métodos de fabricación, centrándose en todas las etapas de un motor a reacción sin, realmente, dejar ninguna de lado, esto es, el fan, compresor, cámara de combustión, turbina (incluyendo una valoración de ciclo de vida bajo la acción constante de gases de combustión recién salidos de la cámara de combustión a alta temperatura), sin dejar de lado el sistema de postcombustión. Ya en 1986 comenzaron las pruebas del primer motor en bancada, finalizando el programa XG-40 en junio de 1995. Pero fue antes de esta fecha, concretamente en el mencionado 1986, cuando el consorcio EuroJet fue formado, de forma paralela al cambiante –por sus participantes- consorcio Eurofighter.

Realmente, aunque el objetivo principal del consorcio EuroJet tenía como objetivo primario el dotar al Eurofighter de un motor state of art, tanto el programa XG-40 como EuroJet se basaban en medios similares; por ello, muchos de los datos de prueba obtenidos durante el programa XG-40 fueron adaptados por EuroJet. A estos se habrían de sumar requisitos propios de un motor a equipar en un nuevo avión de combate, esto es: alta capacidad de empuje, mayor ciclo de vida y menor complejidad mecánica que motores previos.

En este punto, es necesario hacer un paréntesis, pues si bien el Eurofighter está fuertemente basado en el demostrador tecnológico EAP (Experimental Aircraft Programme), el actual EJ200 lo estuvo en el reactor del Panavia Tornado, el RB199 (y de hecho, los prototipos DA1 y DA2 lo equiparon en su variante RB199-122 hasta que estuvo listo el mismo EJ200).

El EAP. (Anthony Noble).
El EAP. (Anthony Noble).

El resultado fue un reactor de dimensiones similares a las del Tornado RB199, con casi la mitad de piezas y capaz de proporcionar alrededor de un 50% más de empuje. Como curiosidad, decir que el RB199 en su variante RB199-122, equipó los prototipos de Eurofighter DA1 y DA2 hasta que estuvo listo el mismo EJ200.

El EJ200 toma forma

Fue en 1991 cuando el EJ200 vio finalmente la luz, fabricándose tras este hito 14 motores de desarrollo; tres de ellos estuvieron en funcionamiento durante aproximadamente 700 horas, utilizándose como motores de ensayos; los otros 11 restantes fueron emplazados en el ASMET o Accelerated Simulated Mission Endurance Testing, siendo los motores denominados EJ200-01A. Así, de los 14 motores prototipos, 3 estuvieron dedicados a ensayos y los 11 restantes fueron empleados para verificar el diseño del motor y la fiabilidad del mismo.

Paralelamente, a la vez que el motor iba cobrando forma, el Eurofighter llegó a un estado de desarrollo tal que comenzaron a ensamblarse los llamados DAs o Development Aircraft, que acumularían miles de horas de ensayos en vuelo. Como en multitud de programas de ensayo de nuevos aviones, los motores que serían instalados en los primeros DAs no serían los que llevarían de serie, sino que se emplearon los Turbo Union RB199-104D, motores que procedían en distinta variante de los Panavia Tornado. Si bien el empuje proporcionado por estos era mucho menor que el de los EJ200 (aproximadamente unos 42,5 kN), lo cierto es que sus dimensiones eran semejantes, pudiendo acoplarse a las bahías de los motores de los Eurofighter. Así fue y los primeros DAs, los DA1 y DA2 comenzaron a realizar los ensayos de vuelo en 1994, con el piloto Peter Weger a los mandos.

Eurofighter DA1. (Andrew Billing).
Eurofighter DA1. (Andrew Billing).

En 1995, el DA3 de Alenia Aerospace se convirtió en el primer Eurofighter dotado de EJ200-01A, alcanzando las 40 horas de vuelo, momento en el cual esta variante de ensayos fue sustituida por una versión mejorada, la EJ200-01C. El DA3 fue el avión de ensayos utilizado para pruebas de motor y el primero en recibir y realizar ensayos en vuelo del sistema FADEC y de la APU del EJ200 (sistemas hoy en día monitorizados por la DECMU). Por su parte, los DA1 y DA2 continuaron volando hasta 1997, fecha en la que todos los DAs incorporaron los motores EJ200 en la variante EJ200-03A, la primera versión de pre-producción del EJ200 certificada por NETMA, tras nuevos ensayos ASMET, de durabilidad/resistencia (los llamados DPT, Durability Proof Test) y a altitudes en toda la envolvente de vuelo en la que operarían. En total, en esta fase del desarrollo, el EJ200 montado en los diferentes DAs completó aproximadamente 650 vuelos en toda la envolvente de vuelo del Eurofighter, desde los 135 nudos de velocidad hasta Mach 2.0.

El contrato de producción del EJ200 se firmó en 1998, entregándose el primer motor de serie en 2001. Desde entonces, con miles de horas de vuelo, 750 motores entregados a fecha de 2011, el EJ200 reconocido como una obra maestra de la ingeniería en materia de dimensiones, capacidad, consumo y fiabilidad, impulsa a la flota de Eurofighters de los países participantes del consorcio, Austria, Arabia Saudí y en 2017, el Sultanato de Omán.

El motor a reacción EJ200

El EJ 200 es un motor a reacción del tipo turbofan y bajo índice de derivación o bypass que consta de los siguientes elementos físicos:

  • Un compresor de baja presión o fan de 3 etapas llamado LPF o Low Pressure Fan.
  • Un compresor de alta presión o HPC (High Pressure Compressor) de 5 etapas.
  • Una cámara de combustión anular.
  • Una turbina de alta presión o HPT (High Pressure Turbine).
  • Una turbina de baja presión o LPT (Low Pressure Turbine).
  • Una tobera de tipo convergente-divergente.
EJ200 del Museo de Aeronáutica y Astronáutica de Madrid. (Autor).
EJ200 del Museo de Aeronáutica y Astronáutica de Madrid. (Autor).

Gracias a ese bajo índice de derivación (de aproximadamente 0,4) el motor ofrece un comportamiento similar a un turborreactor puro (buenas actuaciones supersónicas, fundamental en el caso del Eurofighter como veremos), con las ventajas de un turbofan (menor consumo específico, mayor radio de acción del avión que lo equipa, menor temperatura de funcionamiento alcanza lo que permite una reducción de peso añadido al avión por disminución –que no carencia, no hay que confundir los términos- de elementos de protección contra incendios).

Por su parte, todas las etapas del grupo compresor, tanto la de alta como de baja presión, emplean la tecnología blisk, esto es, los álabes y el disco del rotor forman una única pieza integral, eliminando la necesidad de elementos de unión entre ambos componentes, disminuyendo las pérdidas por fricción, el peso del conjunto e incrementando de esta forma el rendimiento global de esta etapa. Además, el valor de la cuerda aerodinámica es especialmente pronunciado, lo que supone por sí mismo un aumento en la relación de compresión que se puede alcanzar.

Conjunto álabe-disco del rotor. Se observa cómo ambos componentes forman una única pieza. (Oliver Cleynen).
Conjunto álabe-disco del rotor. Se observa cómo ambos componentes forman una única pieza. (Oliver Cleynen).

La siguiente etapa es la cámara de combustión, de tipo anular. La cámara de combustión de un motor a reacción es clave en el funcionamiento de este, ya que en términos termodinámicos, la capacidad de proporcionar empuje son las diferencias en términos de presión y temperatura alcanzadas entre el aire succionado en la tobera de admisión y la salida del mismo, ya transformado en gas de combustión, a la salida de la cámara de combustión, gas que además de proporcionar el empuje necesario, actuará sobre los álabes de la turbina, la cual se encargará de transformar el movimiento resultante en “energía” mecánica para “accionar” o mover el compresor. La temperatura de los gases de combustión a la salida de la cámara, en el caso del EJ200, alcanzan una temperatura máxima cercana a 1527 ºC.

Es con esta temperatura que los dichos gases “impactan” contra los álabes de la turbina de alta presión, por lo que es necesario fabricarlos con materiales especialmente resistentes a la alta temperatura. Para ello se emplean dos tecnologías: la llamada “monocristal” y la aplicación de un TBC (Thermal Barrier Coating).

La primera también se emplea en el caso de los álabes del compresor, y consisten en afinar al máximo la disposición a nivel molecular de los diferentes elementos que dan lugar a una aleación (a nivel microscópico, todos los metales y sus aleaciones no son más que una disposición o geometría de diferentes “cristales”, formados por la interactuación en forma de enlaces, de sus componentes). Las técnicas en ingeniería de materiales desarrolladas durante el siglo XX permiten lograr aleaciones más resistentes y duraderas “jugando” con las diferentes combinaciones entre materiales base y su aleante, junto con el enlace y geometría cristalina que adquieren; en el caso de las turbinas de un avión a reacción, que requieren de condiciones de funcionamiento muy específicas, hasta hace poco tiempo se han empleado titanio o níquel junto con aleantes como el tungsteno, el cobalto, cromo, etcétera, dando como resultado un metal extremadamente duro y difícil de mecanizar a partir de una placa de materia prima de esta aleación, razón por la cual se obtienen directamente de forja, siendo este paradójicamente el principal problema: el álabe puede llegar a deformarse de forma irremediable si algún elemento contaminante se introduce en intersticios de la estructura cristalina a altas temperaturas. Para impedir este hecho, en lugar de formar muchas estructuras cristalinas de pequeñas dimensiones, se opta por conseguir una de grandes dimensiones, en un proceso denominado solidificación direccional.

La otra tecnología, la TBC consiste en utilizar dos capas de deposición, una de ellas primaria y la otra compuesta de material cerámico (níquel-cromo-itrio). El problema de esta tecnología es que requiere de inspecciones paulatinas para asegurarse de que no ha habido ningún desprendimiento en alguna zona del álabe.

Implantación del TBC en un álabe de turbina. (Copyright Progressive Surface).
Implantación del TBC en un álabe de turbina. (Copyright Progressive Surface).

La combinación de ambas tecnologías permite un aumento del ciclo de vida y la capacidad de soportar una mayor demanda de funcionamiento por parte del piloto, así como algo crucial hoy en día: la capacidad de supercrucero o alcanzar y mantener velocidades supersónicas sin utilizar el postquemador.

Como colofón, la tobera de escape es de tipo convergente-divergente, de forma que se aproveche al máximo el remanente energético del chorro de gases para proporcionar el empuje necesario en toda la envolvente de vuelo del Eurofighter.

Todos los parámetros de actuación del motor están controlados por una única unidad de control, la DECMU (Digital Engine Control and Monitoring Unit). Esta unidad de control, basada en el procesamiento de señales digitales, integra en sí misma centralitas que en motores de generaciones pasadas estaban separadas: el FADEC (Full Authority Digital Engine Contol), la EMU o Engine Monitoring Unit y la unidad de control de combustible. De esta forma, la DECMU controla todos los parámetros que afectan al rendimiento del motor: valoración del caudal de aire, temperatura y presión del mismo, consumo de combustible, gestión y estado del motor, control de la tobera convergente-divergente…).

El Eurofighter monta dos EJ200, que le proporcionan un empuje unitario a potencia militar de unas 13.500 (60 kN) libras y de 20.000 libras (90 kN) con postcombustión. Con un total de 40.000 libras de empuje y la configuración aerodinámica del avión, el Eurofighter es capaz de alcanzar velocidades superiores a Mach 2.0 en un corto espacio de tiempo y desarrollar algo que es más importante incluso que un valor determinado de velocidad máxima: la capacidad de supercrucero.

EF TecGuide 2013El futuro del EJ200

Uno de los requisitos demandados en el EJ200 era que este tuviese un determinado potencial de crecimiento, al igual que lo tiene el Eurofighter. En el caso del EJ200, el motor debía tener un valor de aproximadamente el 20%; este potencial se iría desarrollando en sucesivas fases. Lo cierto es que l consorcio EuroJet no se quedó ahí, sino que logró diseñar un motor con un potencial de crecimiento del 30%. Ahora bien, en la actualidad, parte de este potencial de crecimiento ya está implantada en el motor, pudiendo proporcionar unas 21250 libras de empuje o 95 kN, aunque esta característica no se usa, en tanto reduciría el tiempo de vida de sus componentes.

Por ello, si se quisiera desarrollar la capacidad del motor hasta alcanzar ese 30% extra, sería necesario actuar sobre elementos clave del mismo, siendo el principal el compresor y la turbina. Se planearon acometer dos fases, la llamada etapa o fase 1y la etapa o fase 2, siendo en esta última en donde se llevarían a cabo la mayoría de las modificaciones. El ciclo de vida del programa indicaba que esto se llevaría a cabo en el 2016, fecha en la que el Eurofighter habría entrado en una hipotética MLU (Mid Life Upgrade) algo que desgraciadamente, dadas las condiciones económicas actuales, no ha sido posible, si bien es cierto que los aviones de ensayo de la Tranche 3A están volando ya. Un inciso: la Tranche 3 incorporaría una serie de mejoras que dotarían al Eurofighter del máximo de sus capacidades tanto electrónicas como en materia de diseño (tanques conformables), pero debido a la mencionada crisis, se ha dividido en la Tranche 3A y en la Tranche 3B. La Tranche 3A contempla una serie de modificaciones estructurales que permitirían, una vez aprobada la Tranche 3B, incorporar a estos aviones el casco Striker de BAE, el radar AESA CAPTOR, los tanques conformables y lo que nos ocupa en esta entrada: los EJ200 mejorados (en materia de empuje) dotados de toberas vectoriales 3D (3DTVC, denominada TVN).

EJ200 con TVN. (Grzegorz Polak).
EJ200 con TVN. (Grzegorz Polak).

ITP, la empresa responsable de la tobera convergente-divergente, es también la encargada del desarrollo de la tobera vectorial, basada en una junta cardán de tres anillos concéntricos y unidos por cuatro pins. En esta tobera, denominada como ya hemos dicho TVN o Thrust Vectoring Nozzle, cada uno de los anillos concéntricos sirve a un propósito: el interior está conectado con la garganta de la tobera a través del segundo anillo formando una conexión en forma de junta cruzada con el tercer anillo, el pivotante, que está conectado con la sección divergente mediante actuadores. Las interacciones entre los diferentes elementos de los que consta la tobera permite incluso mejoras en la cuantía del empuje que es capaz de proporcionar, al actuar sobre los pétalos de la tobera convergente-divergente y posicionarla y variar su sección de diversas formas. Es para ello necesario que el módulo de control del motor, la DECMU, se encuentre perfectamente integrada con el software de control del Eurofighter, principalmente con el elemento con el que más va a interactuar: el sistema de control del vuelo o FCS (Flight Control System).

Con todo ello, se comprueba el gran trabajo realizado a la hora de diseñar, probar e implementar este motor, un auténtico trabajo coordinado que ha dado al sector aeronáutico uno de los mejores motores a reacción de la actualidad.

 

 

Acerca de Javier Sánchez-Horneros Pérez

Javier Sánchez-Horneros Pérez
Javier Sánchez-Horneros Pérez es Ingeniero Mecánico, escritor técnico aeroespacial con obras publicadas por el Ministerio de Defensa y medios especializados, colaborador asiduo en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica, y piloto de ULM.

En la actualidad desempeña su labor diaria en el Flight Test Center de San Pablo (Sevilla), como Ingeniero de Ensayos en Vuelo en la rama FTI (Flight Test Instrumentation) en los llamados “Productos Propios” (C295) y colaborando cuando es necesario en el Programa A400M. Anteriormente ha trabajado como Ingeniero de Sistemas en el Programa A330 MRTT (Getafe), así como Ingeniero de Fabricación y Procesos de componentes aeroespaciales, en una compañía madrileña proveedora de componentes aeronáuticos para Airbus y Boeing, entre otros clientes internacionales.

Compagina esta tarea con la de escritor técnico aeroespacial, habiendo publicado bajo el sello del Ministerio de Defensa (Publicaciones de Defensa) dos obras:"Guiado de Misiles de Combate Aéreo en el Ejército del Aire (Sistemas y Tecnología)" (ISBN 978-84-9781-764-6. NIPO 083-12-151-4) en donde se repasan de forma divulgativa los diferentes métodos de guiado de misiles de combate aéreo y los sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos destinados a tal fin y“Desde el T-33 al Eurofighter. Los Aviones de Combate a Reacción en el Ejército del Aire” (ISBN 978-84-9091-040-5. NIPO 083-15-046-5) en donde se realiza un análisis exhaustivo a la creación, historia, aerodinámica, motores, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos de los reactores de combate que han servido en el Ejército del Aire. Compagina esta labor literaria con colaboraciones en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica en donde realiza análisis técnico-divulgativos de diversos sistemas de armas.

Además, fue asesor técnico de sistemas aeroespaciales militares (aerodinámica, grupo motopropulsor, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos) hasta febrero de 2015, en el Museo del Aire de Madrid como integrante de la Asociación de Amigos del Museo del Aire, donde realizó múltiples publicaciones en su blog sobre aviones de combate, tecnología y sistemas asociados.