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2023-01-25El laboratorio de turbinas de gas del MIT se prepara para volar hacia el futuro

MIT |Con 75 años de investigación y educación centradas en la industria de la aviación en su haber, el laboratorio continúa desarrollando sistemas de propulsión para aeronaves de próxima generación.

En 1941, la Academia Nacional de Ciencias nombró un comité para evaluar el uso de motores de turbina de gas, que utilizan el calor liberado durante la combustión del combustible para generar empuje para la propulsión, en la aviación. El grupo de luminarias concluyó que debido a las limitaciones de temperatura de los materiales existentes, las turbinas de gas no tenían mucho futuro en la propulsión de aviones.

Sin embargo, "desconocido para el comité, el primer motor a reacción ya se puso en marcha con éxito en Alemania en 1940: el Junkers Jumo", dice el profesor Zoltán Spakovszky , director del Laboratorio de Turbinas de Gas (GTL) del MIT y profesor de Aeronáutica y Astronáutica de TA Wilson. . Aunque el comité había identificado correctamente las limitaciones de temperatura, “los ingenieros y diseñadores alemanes redefinieron el problema e introdujeron el enfriamiento de la turbina”, explica.

El Junkers Jumo, el primer motor turborreactor del mundo en producción, se puso en funcionamiento durante la Segunda Guerra Mundial, mientras que, por separado, Sir Frank Whittle había liderado el progreso en el desarrollo del motor turborreactor en Gran Bretaña. Con Estados Unidos a la zaga de Alemania y Gran Bretaña en el desarrollo de motores turborreactores, el profesor Jerome C. Hunsaker tuvo la visión de establecer un laboratorio dedicado a la propulsión de turbinas de gas en el MIT. Hunsaker, un pionero de la aviación por derecho propio y miembro del Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, reunió fondos y apoyo de seis industrias estadounidenses y la Marina de los EE. UU. para comenzar.

El 7 de octubre de 1947, el GTL, dirigido por el profesor Edward Story Taylor como su director fundador, se lanzó oficialmente con la asistencia de todas las principales compañías de aviación y aeronaves de EE. UU. de ese momento en la ceremonia de apertura. A lo largo de 75 años, el GTL, ahora alojado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, ha estado a la vanguardia de la investigación aplicada. Continúa haciéndolo al ofrecer “nuevas perspectivas sobre la integración de los sistemas de propulsión con nuevos conceptos de aviones y proyectos colaborativos de alto impacto que abarcan todas las disciplinas”, dice Spakovszky.

Para describir el trabajo de laboratorio, el profesor Edward Greitzer , ex director de GTL y profesor de aeronáutica y astronáutica HN Slater, cita al ex primer ministro de Singapur, Lee Kuan Yew, quien habló de no “perfeccionar lo conocido”, sino de alcanzar lo desconocido. “Eso es lo que siempre hemos tratado de hacer en GTL”, dice Greitzer. “Hacemos todo lo posible para pensar estratégicamente sobre las cosas que podríamos hacer que no solo serían intelectualmente interesantes sino que también tendrían un impacto”.

El GTL "sigue siendo muy fuerte, abordando desafíos nuevos y diferentes", dice Spakovszky. “Hoy, no solo estamos trabajando en el sistema de propulsión, los motores a reacción y las plantas de energía, también estamos trabajando en la integración de motores a reacción en aeronaves y en desafíos prospectivos como la electrificación de la aviación”.

En los primeros años, los proyectos se enfocaban en una disciplina y abordaban un problema específico, señala Greitzer, pero el GTL de hoy trabaja en "problemas de mayor alcance y escala, que atraviesan disciplinas y, a veces, organizaciones". Por ejemplo, un proyecto que trabajaba en un diseño conceptual de un avión de bajo consumo de combustible condujo a una prueba en un gran túnel de viento, en una instalación de la NASA.

Spakovszky agrega que igualmente importante es el enfoque del laboratorio en la industria. Fiel a sus raíces, el GTL continúa trabajando en “proyectos que no solo se convierten en tesis y se quedan en el estante; realmente mueven la aguja y comienzan con aplicaciones reales en la industria”, dice. Los compresores de relación de súper alta presión para el secuestro de carbono y las entradas ultracortas de los motores aeronáuticos para reducir el consumo de combustible son ejemplos de los diferentes proyectos centrados en la industria en los que ha trabajado GTL.

Fomentar la excelencia, la pasión y la colaboración

Durante los últimos tres cuartos de siglo, cerca de 500 estudiantes han llamado al GTL su hogar académico. Además de estar inmersos en el rigor académico, los estudiantes obtuvieron habilidades de comunicación técnica, dice Borislav “Bobby” Sirakov SM ´01, PhD ´04. La capacidad, “desarrollada en el GTL, de resumir y explicar un tema complejo en palabras sencillas me ha servido mucho en mi carrera”, afirma.

Andras Kiss ´13, SM ´15, PhD ´21, trabajó en GTL desde su segundo año en el Curso 16 hasta que completó su doctorado en ingeniería aeroespacial. "Lo primero que Zolti o Ed decían cuando escribías un informe o hacías una presentación era responde las preguntas de Heilmeier [una serie de preguntas que abordan riesgos, costos y más] en un lenguaje sencillo, se ríe Kiss", "Se trataba de destilar su trabajo en un lenguaje muy accesible y claro para que sepa exactamente lo que está tratando de hacer. De lo contrario, es muy fácil esconderse detrás de los detalles”.

Kiss tiene muchos buenos recuerdos del GTL, incluido el tiempo que pasó diseñando los sistemas eléctricos y de combustible para un motor turboventilador y haciendo que funcionara sin problemas después de 18 meses de esfuerzo. “Fue realmente emocionante ver el motor arrancar por primera vez”, recuerda.

Phil Mullan SM ´59, ME ´62, ScD ´64, que se especializó en ingeniería mecánica en el MIT mientras trabajaba en el GTL, amaba el rigor académico. “El ambiente del laboratorio fue muy estimulante para mí porque los otros asistentes de investigación eran personas realmente brillantes”, dice Mullan. “Provenían de diferentes orígenes y tenían muchas buenas ideas para compartir y siempre estaban dispuestos a ayudar”. Recuerda haber esperado con ansias los descansos para tomar café a media mañana y media tarde en la biblioteca.

Según Spakovszky, las ideas que empujaron los límites de la llamada sabiduría convencional han sido un diferenciador importante de la GTL. Dos iniciativas de investigación en este sentido han sido los Micro-Engines, motores de turbina de gas del tamaño de un botón de camisa para energía portátil fabricados mediante la fabricación de chips de computadora, y la Iniciativa de Aeronaves Silenciosas, centrada en el diseño conceptual de una aeronave cuyo ruido sería imperceptible fuera del aeropuerto. límites.

Este enfoque también fue evidente al abordar desafíos anteriores en la historia del laboratorio, como encontrar el sistema de accionamiento original para el túnel de viento y el sistema de aire de De Laval. No debe confundirse con el túnel de viento de los hermanos Wright de MIT AeroAstro, el túnel de viento reconfigurable De Laval se encuentra dentro del edificio 31 y proporciona aire a varias instalaciones de prueba. “El desafío logístico fue conseguir un motor para hacer funcionar el compresor”, dice Spakovszky. “Resulta que el USS Halibut, un submarino de la clase Gato, llegó a tierra y fue dado de baja en New Hampshire en 1945. Eddie Taylor compró el sistema de propulsión del motor de ese submarino y lo colocó aquí en 1947. Operamos ese equipo hasta renovamos hace unos años (en 2017) y ahora tenemos un nuevo motor eléctrico para impulsar el sistema de aire De Laval”.

Según Greitzer, desde que se unió al GTL (de Pratt and Whitney) en 1977 ha habido agradables sorpresas tecnológicas. Una de ellas fue la Iniciativa de Aeronaves Silenciosas. “Mi expectativa era que tendríamos una compensación de rendimiento: consumo de combustible por ruido”, dice Greitzer. “Pero descubrimos que si piensa en abrir el diseño de la aeronave... no tiene que hacer esos compromisos y puede obtener menos ruido y un mejor rendimiento de consumo de combustible”.

Celebrando un futuro rugiente

En su discurso de bienvenida de 1947 al inaugurar el laboratorio, Taylor dijo: "No parece necesario enfatizar la creciente importancia de la turbina de gas como motor principal". En el discurso también se refirió al GTL como “un nuevo laboratorio diseñado específicamente para la investigación de problemas encontrados en turbinas de gas”.

El 7 de octubre de 2022, 75 años después, Spakovszky se dirigió a una sala llena de más de 140 exalumnos, miembros de la industria y luminarias académicas que se reunieron de todo el mundo para regresar al campus y celebrar el hito histórico de la GTL. Mullan, con su nieto, un ingeniero de Pratt y Whitney, a cuestas, Sirakov y Kiss estaban entre los ex alumnos del laboratorio que asistieron.

“Los desafíos son diferentes ahora en comparación con hace 75 años, pero la forma en que investigamos y colaboramos no ha cambiado. Hoy, buscamos electrificar la aviación y trabajar con nuevos combustibles como el hidrógeno”, dice Spakovszky. "La conclusión es que nuestro nombre no ha cambiado, seguimos siendo el Laboratorio de Turbinas de Gas, pero estamos haciendo más que turbinas de gas y abordando diferentes aspectos del campo".

El ambiente vigorizante del laboratorio y la pasión por la tecnología de turbinas de gas se exhibieron por completo en las celebraciones donde los asistentes estuvieron encantados de ponerse al día con viejos amigos y mentores y repasar el carril de la memoria mientras recorrían las instalaciones renovadas de GTL para aprender más sobre las últimas investigaciones e incluso vea un motor Junkers Jumo 004 en exhibición, un emblema de la historia del campo incrustado en el presente.

Si bien 2022 marcó un hito importante en la historia de GTL, Sirakov cree que el laboratorio siempre estará a la vanguardia de los avances.

“Me alegró mucho ver tantos nuevos equipos de prueba y proyectos experimentales en marcha”, dice. “Estoy orgulloso de la larga historia del laboratorio, la larga lista de contribuciones al campo y el poderoso comienzo con todos los líderes aeroespaciales que asistieron al [lanzamiento]. Es notable que después de tantos años, el laboratorio MIT GTL siga siendo muy relevante en los campos de la [investigación] aeronáutica, espacial y automotriz y en todos los nuevos y emocionantes horizontes como la electrificación y la energía limpia”.

Greitzer está de acuerdo. “El sentimiento que surgió en la celebración del 75 aniversario es que el Laboratorio de turbinas de gas es un lugar especial, distintivo y diferente”, dice Greitzer. “Continuamos en nuestro viaje de descubrimiento para aprender lo desconocido”.

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