Avion a reacción

McDonnell Douglas DC-10 de Continental Airlines es un ejemplo de configuración de Trijet

Un avión a reacción (o simplemente jet) es un avión (casi siempre un avión de ala fija) propulsado por motores a reacción.

Mientras que los motores de los aviones propulsados por hélice generalmente logran su máxima eficiencia a velocidades y altitudes mucho más bajas, los motores a reacción logran la máxima eficiencia a velocidades cercanas o incluso muy superiores a la velocidad del sonido. Los aviones a reacción generalmente navegan de manera más eficiente a aproximadamente Mach 0,8 (981 km/h (610 mph)) y en altitudes de alrededor de 10 000 a 15 000 m (33 000 a 49 000 pies) o más.

La idea del motor a reacción no era nueva, pero los problemas técnicos involucrados no pudieron comenzar a resolverse hasta la década de 1930. Frank Whittle, un inventor inglés y oficial de la RAF, comenzó el desarrollo de un motor a reacción viable en 1928, y Hans von Ohain en Alemania comenzó a trabajar de forma independiente a principios de la década de 1930. En agosto de 1939, el Heinkel He 178 propulsado por turborreactores, el primer avión a reacción del mundo, realizó su primer vuelo. Existe una amplia gama de diferentes tipos de aviones a reacción, tanto para fines civiles como militares.

Historia

El Heinkel Él 178 fue el primer avión que voló en la potencia de turbojet, en agosto de 1939

Después de la primera instancia de vuelo propulsado, se sugirió una gran cantidad de diseños de motores a reacción. René Lorin, Morize, Harris propusieron sistemas para crear un flujo de chorro.

Después de que se pusieran en marcha otros motores a reacción, el inventor rumano Henri Coandă afirmó haber construido un avión a reacción en 1910, el Coandă-1910. Sin embargo, para respaldar esta afirmación, tuvo que hacer modificaciones sustanciales a los dibujos que utilizó para respaldar sus afirmaciones posteriormente desacreditadas. De hecho, el motor de ventilador con conductos falló, prendiendo fuego a la aeronave antes de que se realizara ningún vuelo, y carecía de casi todas las características necesarias para un motor a reacción, incluida la falta de inyección de combustible y cualquier preocupación sobre la salida de chorro caliente. dirigido a una superficie de tela altamente inflamable.

Durante las décadas de 1920 y 1930 se intentaron varios enfoques. Se diseñó una variedad de aviones a motor, turbohélice, pulsorreactores y cohetes. La investigación de motores de cohetes se estaba llevando a cabo en Alemania y el primer avión que voló con propulsión de cohetes fue el Lippisch Ente, en 1928. El Ente había volado anteriormente como un planeador. Al año siguiente, en 1929, el Opel RAK.1 se convirtió en el primer avión cohete construido especialmente para volar.

El turborreactor fue inventado en la década de 1930, de forma independiente por Frank Whittle y más tarde por Hans von Ohain. El primer avión turborreactor en volar fue el Heinkel He 178, el 27 de agosto de 1939 en Rostock (Alemania), propulsado por el diseño de von Ohain. Esto fue en gran medida una prueba de concepto, ya que el problema de "creep" (fatiga del metal causada por las altas temperaturas dentro del motor) no se había solucionado y el motor se quemó rápidamente. El diseño de Von Ohain, un motor de flujo axial, a diferencia del motor de flujo centrífugo de Whittle, finalmente fue adoptado por la mayoría de los fabricantes en la década de 1950.

El primer vuelo de un avión propulsado a chorro que llamó la atención del público fue el prototipo italiano Caproni Campini N.1 motorjet que voló el 27 de agosto de 1940. Fue el primer avión a reacción reconocido por la Fédération Aéronautique Internationale (en la tiempo el programa alemán He 178 todavía se mantuvo en secreto). Campini comenzó el desarrollo del motorjet en 1932; se diferenciaba de un verdadero turborreactor en que el aire era impulsado por un motor de pistón, en lugar de los gases de escape, una solución mucho más compleja.

Boeing 707

El Gloster E.28/39 experimental británico voló por primera vez el 15 de mayo de 1941, propulsado por el turborreactor de Sir Frank Whittle. El Bell XP-59A de los Estados Unidos voló el 1 de octubre de 1942, utilizando dos ejemplos de una versión del motor Whittle construido por General Electric. El Meteor fue el primer avión de producción; los primeros pedidos de ejemplares de producción se realizaron el 8 de agosto de 1941; el prototipo voló por primera vez el 5 de marzo de 1943 y el primer avión de producción voló el 12 de enero de 1944, mientras que los primeros pedidos de aviones Me 262 de producción no se emitieron hasta el 25 de mayo de 1943, y la primera producción Me 262 no voló hasta el 28 de marzo de 1944 a pesar de que el programa Me 262 comenzó antes que el Meteor, como Projekt 1065, con planes iniciales elaborados por Waldemar Voigt' equipo de diseño de s en abril de 1939.

El Messerschmitt Me 262 fue el primer caza a reacción operativo, fabricado por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial y que entró en servicio el 19 de abril de 1944 con Erprobungskommando 262 en Lechfeld, al sur de Augsburgo. Un Me 262 obtuvo la primera victoria en combate para un avión de combate el 26 de julio de 1944. El Me 262 había volado por primera vez el 18 de abril de 1941, pero la producción en masa no comenzó hasta principios de 1944, con los primeros escuadrones operativos ese año, demasiado tarde para cualquier efecto sobre el resultado de la Segunda Guerra Mundial. Si bien solo unos 15 Meteors estuvieron operativos durante la Segunda Guerra Mundial, se produjeron hasta 1400 Me 262, de los cuales 300 entraron en combate. Solo el Messerschmitt Me 163 Komet propulsado por cohetes fue un avión operativo más rápido durante la guerra.

Por esta época, a mediados de 1944, el Gloster Meteor del Reino Unido se usaba para la defensa del Reino Unido contra la bomba voladora V-1, en sí misma un avión propulsado por chorro de pulsos y antepasado directo del misil de crucero, y luego operaciones de ataque terrestre sobre Europa en los últimos meses de la guerra. En 1944, Alemania introdujo en servicio el avión bombardero y de reconocimiento a reacción Arado Ar 234, aunque se utilizó principalmente en la primera función, y el caza ligero monorreactor Heinkel He 162 Spatz apareció a finales de 1944. URSS probó su propio Bereznyak-Isayev BI-1 en 1942, pero el proyecto fue descartado por el líder Joseph Stalin en 1945. La Armada Imperial Japonesa también desarrolló aviones a reacción en 1945, incluido el Nakajima J9Y Kikka, una versión modificada y ligeramente más pequeña del Yo 262 que tenía alas plegables. A fines de 1945, EE. UU. había introducido en servicio su primer caza a reacción, el Lockheed P-80 Shooting Star, y el Reino Unido su segundo diseño de caza, el de Havilland Vampire.

Estados Unidos introdujo el North American B-45 Tornado, su primer bombardero a reacción, en servicio en 1948. Era capaz de transportar armas nucleares, pero se utilizó para reconocimiento sobre Corea. El 8 de noviembre de 1950, durante la Guerra de Corea, el teniente de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, Russell J. Brown, que volaba en un F-80, interceptó dos MiG-15 de Corea del Norte cerca del río Yalu y los derribó en el primer avión. -pelea de perros jet en la historia. El Reino Unido puso en servicio el English Electric Canberra en 1951 como bombardero ligero. Fue diseñado para volar más alto y más rápido que cualquier interceptor.

El Concorde fue el SST comercial más largo que presta servicio entre 1976 y 2003

BOAC operó el primer servicio de jet comercial, de Londres a Johannesburgo, en 1952 con el avión de Havilland Comet. Este avión altamente innovador viajaba mucho más rápido y más alto que los aviones de hélice, era mucho más silencioso, más suave y tenía elegantes alas combinadas que contenían motores a reacción ocultos. Sin embargo, debido a un defecto de diseño y al uso de aleaciones de aluminio, la aeronave sufrió una fatiga metálica catastrófica que provocó varios accidentes, lo que dio tiempo a que el Boeing 707 entrara en servicio en 1958 y dominara así el mercado de aviones civiles. Se descubrió que los motores suspendidos eran ventajosos en caso de una fuga de propulsor, por lo que el 707 se veía bastante diferente del Comet: el 707 tiene una forma que es efectivamente la misma que la de los aviones contemporáneos, con una marcada similitud que aún es evidente hoy en día para ejemplo con el 737 (fuselaje) y el A340 (una sola plataforma, ala en flecha, cuatro motores debajo del ala).

Los aviones turboventiladores con una eficiencia de combustible mucho mayor comenzaron a entrar en servicio en las décadas de 1950 y 1960, y se convirtieron en el tipo de avión más utilizado.

El transporte supersónico Tu-144 fue el avión a reacción comercial más rápido con Mach 2,35 (2503 km/h (1555 mph)). Entró en servicio en 1975, pero poco después se retiró del servicio comercial. El Mach 2 Concorde entró en servicio en 1976 y voló durante 27 años.

El avión a reacción militar más rápido fue el SR-71 Blackbird a Mach 3,35 (3661 km/h (2275 mph)).

Otros aviones

La mayoría de la gente usa el término 'avión a reacción' para denotar motores a reacción basados en turbinas de gas que respiran aire, pero los cohetes y los scramjets también son propulsados por propulsión a chorro.

El Sikorsky S-69 era un helicóptero compuesto con turbojets auxiliares

Los misiles de crucero son aeronaves a reacción no tripuladas de un solo uso, propulsadas principalmente por estatorreactores o turborreactores o, a veces, turboventiladores, pero a menudo tienen un sistema de propulsión de cohetes para la propulsión inicial.

El avión a reacción más rápido que respira aire es el scramjet X-43 no tripulado, con una velocidad aproximada de Mach 9-10.

El avión tripulado (cohete) más rápido es el X-15 a Mach 6,85.

El transbordador espacial, aunque es mucho más rápido que el X-43 o el X-15, no se consideró un avión durante el ascenso, ya que se transportaba balísticamente mediante el empuje de un cohete, en lugar del aire. Durante el reingreso, se clasificó (como un planeador) como un avión sin motor. El primer vuelo fue en 1981.

El Bell 533 (1964), el Lockheed XH-51 (1965) y el Sikorsky S-69 (1977-1981) son ejemplos de diseños de helicópteros compuestos en los que el escape de los reactores se sumó al empuje hacia adelante. El helicóptero ultraligero Hiller YH-32 Hornet y Fairey se encontraban entre los muchos helicópteros cuyos rotores eran impulsados por chorros de punta.

Existen trajes aéreos impulsados por propulsión a chorro, propulsados por motores a reacción de aviones a escala, pero son de corta duración y deben lanzarse a gran altura.

Aerodinámica

Debido a la forma en que funcionan, la velocidad de escape típica de los motores a reacción es transónica o más rápida, por lo tanto, la mayoría de los aviones a reacción necesitan volar a altas velocidades, ya sea supersónicas o velocidades justo por debajo de la velocidad del sonido ("transónica&# 34;) para lograr un vuelo eficiente. Por lo tanto, la aerodinámica es una consideración importante.

Las aeronaves a reacción generalmente se diseñan utilizando la regla del área de Whitcomb, que establece que el área total de la sección transversal de la aeronave en cualquier punto a lo largo de la aeronave desde la nariz debe ser aproximadamente igual a la de un cuerpo de Sears-Haack. Una forma con esa propiedad minimiza la producción de ondas de choque que desperdiciarían energía.

Motores a reacción

Existen varios tipos de motores que funcionan expulsando gas caliente:

El Lockheed SR-71 fue uno de los aviones más rápidos en Mach 3.35 (3.661 km/h (2.275 mph)

• turbojet
• turbofán (que vienen en dos formas principales turbofán de baja deriva y turbofán de alto bypass)
• cohete

Los diferentes tipos se utilizan para diferentes propósitos.

Los cohetes son el tipo más antiguo y se usan principalmente cuando se necesitan velocidades extremadamente altas o cuando se opera a altitudes extremadamente altas donde no hay suficiente aire para operar un motor a reacción. Debido a la velocidad de escape extrema, típicamente hipersónica, y la necesidad de llevar el oxidante a bordo, consumen propulsor extremadamente rápido, lo que los hace poco prácticos para el transporte de rutina.

Los turborreactores son el segundo tipo más antiguo; tienen una velocidad de escape alta, generalmente supersónica, y una sección transversal frontal baja, por lo que se adaptan mejor a vuelos de alta velocidad, generalmente supersónicos. Aunque alguna vez se usaron ampliamente, son relativamente ineficientes en comparación con los turbohélices y los turboventiladores para vuelos subsónicos. Los últimos aviones importantes en utilizar turborreactores fueron los transportes supersónicos Concorde y Tu-144.

Los turboventiladores de derivación baja tienen una velocidad de escape más baja que los turborreactores y se utilizan principalmente para velocidades sónicas altas, transónicas y supersónicas bajas. Los turboventiladores de derivación alta son relativamente eficientes y los utilizan aviones subsónicos como los aviones de pasajeros.

Características de vuelo

Los aviones a reacción vuelan de manera considerablemente diferente a los aviones de hélice.

Una diferencia es que los motores a reacción responden con relativa lentitud. Esto complica las maniobras de despegue y aterrizaje. En particular, durante el despegue, los motores de los aviones de hélice soplan aire sobre sus alas y eso proporciona más sustentación y un despegue más corto. Estas diferencias atraparon a algunos de los primeros pilotos de BOAC Comet.

Eficiencia de propulsión

En aeronaves eficiencia propulsiva general .. {displaystyle eta } es la eficiencia, en porcentaje, con la que la energía contenida en el propulsor de un vehículo se convierte en energía útil, para reemplazar las pérdidas debido a la arrastre de aire, gravedad y aceleración. También se puede decir como la proporción de la energía mecánica utilizada para impulsar el avión. Es siempre menos del 100% debido a la pérdida de energía cinética al agotamiento, y la eficiencia menos que ideal del mecanismo propulsivo, ya sea una hélice, un escape de chorro, o un ventilador. Además, la eficiencia propulsiva depende en gran medida de la densidad del aire y la velocidad del aire.

Matemáticamente, está representado como .. =.. c.. p{displaystyle eta =eta ¿Qué? ¿Qué? Donde .. c{displaystyle eta _{c} es la eficiencia del ciclo y .. p{displaystyle eta _{p} es la eficiencia propulsiva. La eficiencia del ciclo, en porcentaje, es la proporción de energía que puede derivarse de la fuente de energía que se convierte en energía mecánica por el motor.

Dependencia de la eficiencia propulsiva (.. p{displaystyle eta _{p}) sobre la velocidad del vehículo / la relación de velocidad de escape (v/c) para motores de cohetes y jet

Para los aviones a reacción, la eficiencia de propulsión (esencialmente, la eficiencia energética) es más alta cuando el motor emite un chorro de escape a una velocidad que es igual o casi igual a la velocidad del vehículo. La fórmula exacta para motores de respiración de aire como se da en la literatura, es

.. p=21+cv{displaystyle eta - ¿Qué? {2}{1+{frac}}} {}} {}}} {c}}} {c}}}} {}}}}} {c}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}} {}}} {}}}} {}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

donde c es la velocidad de escape y v es la velocidad de la aeronave.

Alcance

Para un jet de largo alcance que opera en la estratosfera, la velocidad del sonido es constante, por lo tanto, volar con un ángulo de ataque fijo y un número de Mach constante hace que la aeronave ascienda, sin cambiar el valor de la velocidad local del sonido. En este caso:

V=aM{displaystyle V=aM}

Donde M{displaystyle M} es el número de crucero Mach y a{displaystyle a} la velocidad local del sonido. La ecuación de rango se puede demostrar que es:

R=aMcTCLCDlnW1W2{displaystyle R={frac {fnMicroc} {fnMicroc}} {fnMicroc}} {f}} {f}}} {f}} {fn}}} {fnMicroc}}}}}} {fn}}} {f}} {f}}} {fnMicroc}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}}}} {f}}}}} {f}}} {f}} {f}}} {f}}} {f} {f}}}}} {f}}}} {f}}} {f}}} {f}} {f} {f} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}f} {f} {f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {C_{L} {C_{D} {fn}Ln{f} {W_{1} {W_{2}}}

que se conoce como la ecuación de rango de Breguet en honor al pionero de la aviación francesa Louis Charles Breguet.