Hans von Ohain

Hans Joachim Pabst von Ohain (14 de diciembre de 1911 - 13 de marzo de 1998) fue un físico, ingeniero y diseñador alemán del primer motor turborreactor para propulsar un avión. Junto con Frank Whittle, a veces se lo describe como co-inventor del motor turborreactor, sin embargo, esto puede exagerar el caso, ya que Ohain todavía era un estudiante universitario cuando, en enero de 1930, Whittle presentó su primera patente para un motor turborreactor. Como dice von Ohain en su biografía, 'Mi interés por la propulsión a chorro comenzó en el otoño de 1933, cuando estaba en mi séptimo semestre en la Universidad de Gottingen. No sabía que muchas personas antes que yo tenían el mismo pensamiento."

Cuando en 1935, von Ohain diseñó el diseño general de su motor, para que fuera compacto, se basó en un impulsor centrífugo (compresor) y una turbina de flujo de entrada radial.

Al final, esta configuración tenía demasiadas deficiencias para ser puesta en producción, sin embargo, con la ayuda de los enormes recursos de Heinkel Aircraft Company, una versión desarrollada fue suficiente para impulsar el He-178, y el 27 de agosto de 1939, von Ohain entró en la historia, como el diseñador de la primera turbina de gas del mundo para propulsar un avión.

Von Ohain se quedó con los diseños centrífugos y contribuyó con su investigación a otros proyectos de Heinkel, como el HeS8 centrífugo/axial combinado y el 011, pero finalmente ninguno de sus diseños se puso en producción y otros diseñadores alemanes compitieron en Junkers. y BMW, siguiendo el esquema de diseño axial, vieron sus motores en producción, aunque nunca resolvieron algunos de los problemas básicos de potencia y durabilidad.

Von Ohain, habiendo ingresado al diseño de turborreactores un tiempo después que Whittle, comenzó a trabajar en sus primeros diseños de motores de turborreactores durante el mismo período en que Whittle estaba construyendo su motor WU en Gran Bretaña. Algunos han dicho que sus diseños de turborreactores son un ejemplo de invención simultánea. Sin embargo, von Ohain explica en su biografía que en 1935, mientras se preparaba su propia patente (y antes de que comenzara la construcción de un motor), su abogado le dio una copia de la patente de Whittle que leyó y criticó.. Como resultado, se vio obligado a modificar su propia aplicación para no infringir el diseño de Whittle.

El núcleo del primer motor a reacción de Ohain, el Heinkel HeS 1, que describió como su "motor de prueba de hidrógeno" se ejecutó "en marzo o principios de abril" según Ohain (aunque los diarios de Ernst Heinkel lo registran como septiembre de 1937).

El trabajo en el motor de prueba de hidrógeno continuó, pero el motor requirió modificaciones para solucionar los problemas de sobrecalentamiento y para instalar un sistema de combustible que le permitiera funcionar de forma autónoma con combustible líquido, lo que se logró en septiembre de 1937. Con el fuerte respaldo de Heinkel, El motor a reacción de Ohain fue el primero en propulsar un avión, el avión Heinkel He 178 en 1939, al que siguió el motor de Whittle dentro del Gloster E.28/39 en 1941. Los aviones de combate turborreactores de Alemania y Gran Bretaña entraron en uso operativo prácticamente simultáneamente en julio de 1944.

Después de la guerra, los dos hombres se conocieron, se hicieron amigos y recibieron el Premio Charles Stark Draper de Ingeniería "por su desarrollo independiente del motor turborreactor".

Primeros años y desarrollo del jet

Nacido en Dessau, Alemania, Ohain obtuvo un doctorado en física en 1933, con su tesis sobre un micrófono óptico para grabar sonido directamente en una película, en la Universidad de Göttingen, entonces uno de los principales centros de investigación aeronáutica, habiendo asistido conferencias de Ludwig Prandtl. En 1933, cuando aún era estudiante, concibió lo que llamó 'un motor que no requería una hélice'.

Después de recibir su segundo título en Física y Aerodinámica en 1935, Ohain se convirtió en asistente junior de Robert Wichard Pohl, entonces director del Instituto de Física de la Universidad. En 1936, mientras trabajaba para Pohl, Ohain registró una patente sobre su versión de un motor a reacción, Proceso y aparato para producir corrientes de aire para propulsar aviones. A diferencia del diseño WU de los Power Jets de Frank Whittle con su turbina de flujo axial, Ohain usó una turbina de flujo de entrada radial para ir con un compresor centrífugo, colocándolos espalda con espalda con un espacio de combustión anular envuelto alrededor del rotor.

Mientras trabajaba en la Universidad, Ohain solía llevar su automóvil deportivo a un taller local, Bartles and Becker, para que lo revisaran. Allí conoció a un mecánico de automóviles, Max Hahn, y finalmente hizo los arreglos para que construyera un modelo de demostración de su motor por 500 ℛ︁ℳ︁. El modelo completo tenía un diámetro mayor que el motor completamente funcional de Whittle de 1937, aunque mucho más corto. Ohain llevó el modelo a la Universidad para que lo probaran, pero tuvo problemas con la combustión del combustible de gasolina, que ocurría principalmente después de la turbina, lo que enviaba llamas desde el conducto de escape. La falta de combustión antes de la turbina contribuyó a que el motor no pudiera funcionar sin la ayuda del motor eléctrico que posteriormente se recalentó.

Mechanic Max Hahn y los principales componentes del motor de prueba de Hans von Ohain

Según von Ohain, "Mi interés por los motores a reacción comenzó alrededor de 1933. Descubrí que la elegancia de volar se estropeaba por las enormes vibraciones y el ruido de la combinación de motor de pistón/hélice. Llegué a la conclusión de que un proceso de trabajo constante, es decir, constante compresión, combustión, expansión, tendría grandes ventajas. Así que elegí un motor bastante simple, un compresor radial con una turbina radial."

Sin embargo, el modelo que él y Max Hahn construyeron y probaron en el patio del Instituto mostró que la cámara de combustión necesitaba un mayor desarrollo. Como consecuencia, Pohl y von Ohain decidieron acercarse a Heinkel como alguien que "no retrocede ante las nuevas ideas".

Heinkel

En febrero de 1936, Pohl le escribió a Ernst Heinkel y le contó sobre el diseño de Ohain y sus posibilidades. Heinkel organizó una reunión entre sus ingenieros y Ohain, durante la cual argumentó que el actual "motor de garaje" nunca funcionaría, pero que el concepto en el que se basaba era sólido. Los ingenieros quedaron convencidos y, en abril, Ohain y Hahn comenzaron a trabajar para Heinkel en el aeródromo de Marienehe, en las afueras de Rostock, en Warnemuende.

Trabajando con el ingeniero Gundermann y Hahn en Special Development, von Ohain afirma: "Bajo la presión de tratar de preparar una cámara de combustión de resistencia desconocida para el vuelo, se me ocurrió la idea de separar el problema de la turbina de la combustión problema de la cámara mediante el uso de combustible de hidrógeno. Como físico, sabía, por supuesto, que la velocidad de difusión y combustión del hidrógeno gaseoso era sustancialmente mayor que la de la gasolina."

Un estudio del flujo de aire del modelo resultó en varias mejoras durante un período de dos meses. Animado por estos hallazgos, Ohain produjo un nuevo prototipo que funcionaría con gas hidrógeno suministrado por una fuente externa presurizada. El Heinkel-Strahltriebwerk 1 (HeS 1) resultante, en alemán Heinkel Jet Engine 1, se construyó seleccionando a mano a algunos de los mejores maquinistas de la empresa, para gran disgusto de los supervisores del taller. Mientras tanto, Hahn trabajó en el problema de la combustión, un área en la que tenía cierta experiencia.

El motor era extremadamente simple, hecho en gran parte de chapa. La construcción, a cargo del herrero de su pueblo, comenzó a fines del verano de 1936 y se completó en marzo de 1937. Dos semanas después, el motor funcionaba con hidrógeno, pero la alta temperatura de los gases de escape provocó una considerable "quema". del metal Por lo demás, las pruebas fueron exitosas y en septiembre se reemplazó la cámara de combustión y el motor funcionó con gasolina por primera vez. El funcionamiento con gasolina hizo que la cámara de combustión se obstruyera. Aunque el motor nunca tuvo la intención de ser un diseño de calidad de vuelo, demostró sin lugar a dudas que el concepto básico era factible, y Ohain finalmente se puso al día con Whittle. Con mucho más financiamiento y apoyo de la industria, Ohain pronto superaría a Whittle y seguiría adelante.

¿No conoces a Whittle?

Durante mucho tiempo se ha afirmado que Ohain no estaba al tanto del trabajo de Whittle. Si bien en un sentido muy estricto esto puede ser cierto (ya que no estaba al tanto de los experimentos de Whittle en Lutterworth, donde el ingeniero de la RAF hizo funcionar el primer motor a reacción del mundo el 12 de abril de 1937), sin embargo, Ohain su abogado le había dado una copia de las patentes de Whittle, mientras se preparaba su propia solicitud de patente y antes de que comenzara la construcción de un motor.

En su biografía, Ohain criticó francamente el diseño de Whittle:

"Cuando vi la patente de Whittle estaba casi convencida de que tenía algo que ver con las combinaciones de succión de capas límite. Tenía un compresor de flujo radial de flujo de entrada doble que parecía monstruoso desde el punto de vista del motor. Su inversión de flujo nos pareció una cosa indeseable, pero resultó que no era tan malo después, aunque le dio problemas de inestabilidad menores... Nuestras reclamaciones de patentes tenían que ser estrechadas en comparación con Whittle's porque Whittle mostró ciertas cosas." Entonces justificó algo comprensiblemente su conocimiento de la obra de Whittle diciendo: "Sentíamos que parecía una patente de una idea... Pensamos que no se estaba trabajando seriamente".

Desarrollo del motor

En febrero de 1937, la sección de la turbina estaba funcionando en un banco de pruebas. Según von Ohain, "estábamos trabajando ahora en una máquina capaz de propulsar un avión, el precursor del He-S3B. Tenía la intención de poner la cámara de combustión entre el compresor y la turbina, como hicimos con la unidad de hidrógeno, pero Hahn sugirió ponerla delante de ellos, lo cual fue una excelente idea." La turbina He-S3 fue probada por Erich Warsitz y Walter Künzel en un Heinkel He 118, proporcionando un empuje adicional al motor convencional.

Mientras continuaba el trabajo en el HeS 1, el equipo de Pohl-Ohain ya había pasado al diseño de un motor con calidad de vuelo, el HeS 3. Las principales diferencias fueron el uso de etapas de turbina y compresor maquinadas, reemplazando el motor doblado y chapa plegada, y una reorganización del diseño para reducir el área de la sección transversal del motor colocando la cámara de combustión anular en un espacio extendido entre el compresor y la turbina. La turbina original era demasiado pequeña para funcionar de manera eficiente.

A principios de 1939, el He-S3A se instaló en la estructura del avión He 178 para una exhibición permanente en Roggentin el 3 de julio de 1939. Sin embargo, esta turbina todavía no era lo suficientemente potente para volar. Según von Ohain, "Experimentamos con varias combinaciones para modificar el difusor del compresor y las paletas de la boquilla de la turbina para aumentar el empuje lo suficiente como para calificar la aeronave para la demostración del primer vuelo. Descubrimos que un pequeño difusor detrás del motor con un collar y un divisor para desviar los flujos funcionaba mejor que un flujo de alta velocidad a través de todo el tubo. El resultado final de los cambios fue el He-S3B."

Compresor centrífugo de Hans von Ohain /Turbina de flujo radial HeS3B

Se propuso un nuevo diseño, el HeS 3b, que alargó el combustor al colocar la parte delantera del mismo frente al borde exterior del compresor. Si bien no era tan pequeño como el diseño original del HeS 3, el 3b era bastante compacto. El 3b funcionó por primera vez en julio de 1939 (algunas referencias dicen que en mayo) y se probó en el aire bajo el prototipo de bombardero en picado Heinkel He 118. El motor 3b original pronto se quemó, pero un segundo estaba a punto de completarse casi al mismo tiempo que un nuevo fuselaje de prueba, el Heinkel He 178, que voló por primera vez el 27 de agosto de 1939, el primer avión propulsado por un jet en volar por piloto de prueba. Erich Warsitz. Heinkel había solicitado, el 31 de mayo de 1939, una patente: US2256198 Espacenet - Documento original, una 'Planta de energía aeronáutica', inventor Max Hahn. La primera solicitud de esta patente en Alemania fue en mayo de 1938.

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Hans von Ohain lleva un brindis después del exitoso vuelo del Heinkel He 178. Ernst Heinkel levanta su vaso en el lado izquierdo de la imagen.

El trabajo comenzó de inmediato en versiones más grandes, primero el HeS 6, que era simplemente un HeS 3b más grande, y luego en un nuevo diseño conocido como HeS 8, que una vez más reorganizó el diseño general. El compresor y la turbina estaban conectados con un tambor de gran diámetro lo suficientemente largo como para encajar una cámara de combustión anular entre ellos. Se pretendía instalar el motor en el caza Heinkel He 280, pero el desarrollo del fuselaje progresó mucho más suavemente que el motor y tuvo que usarse en pruebas de planeo mientras continuaba el trabajo en el motor. Se instaló un HeS 8 con calidad de vuelo a fines de marzo de 1941, seguido del primer vuelo el 2 de abril. Tres días después, se hizo una demostración del avión ante un grupo de funcionarios nazis y del RLM, todos los cuales quedaron impresionados. Pronto siguieron los fondos completos de desarrollo.

En este punto, había una serie de desarrollos de turborreactores en Alemania. Heinkel quedó tan impresionado con el concepto que arregló la transferencia al proyecto de Adolph Müller de Junkers, que estaba desarrollando un diseño impulsado por un compresor axial, rebautizado como Heinkel HeS 30. Müller dejó Junkers después de que compraron la empresa Junkers Motoren, que tenía su propio proyecto en marcha, que en ese momento se conocía como Junkers Jumo 004. Mientras tanto, BMW avanzaba a buen ritmo con su propio diseño, el BMW 003.

A principios de 1942, el HeS 8, oficialmente el 109-001 (HeS 001), aún no progresaba bien. Mientras tanto, el HeS 30 de Müller, oficialmente el 109-006 (HeS 006), se estaba desarrollando mucho más rápido. Sin embargo, aún faltaba un tiempo para que ambos motores estuvieran listos para la producción, mientras que el 003 y el 004 parecían estar listos para funcionar. A principios de 1942, el director de desarrollo de aviones en el RLM, Helmut Schelp, rechazó más fondos para ambos diseños y ordenó a Heinkel que trabajara en un nuevo 'proyecto favorito'. por su cuenta, convirtiéndose finalmente en el Heinkel HeS 011. Aunque este fue el primero de la "Clase II" motores comenzaran a funcionar bien, la producción aún no había comenzado cuando terminó la guerra. El trabajo continuó en el HeS 8 durante algún tiempo, pero finalmente se abandonó en la primavera de 1943.

Resultado final

Parte del desafío para von Ohain fue su enfoque para diseñar un turborreactor práctico que pudiera desarrollarse. Su diseño principal comprendía un compresor centrífugo con una turbina de entrada radial, un diseño que resultó ser poco práctico y, como resultado, a pesar de mucho esfuerzo, nunca se puso en producción.

En comparación, los motores de flujo centrífugo de Whittle, tanto en configuración de flujo directo como inverso (desarrollados por Rolls Royce), impulsaron todos los jets aliados de la Segunda Guerra Mundial y la mayoría de los cazas de la posguerra inmediata. Fueron construidos bajo licencia en numerosos países, incluidos Australia, Francia y los EE. UU., y los rusos y los chinos los copiaron para impulsar el MiG 15 y el MiG 17. El diseño básico de flujo inverso de Whittle sigue siendo la configuración de turbina de gas más común en producción. hoy con más de 80,000 construidos en forma de Allison (RR) 250/300 y Pratt & Serie de motores Whitney PT-6.

Después de la Segunda Guerra Mundial

En 1947, Ohain fue llevado a los Estados Unidos por la Operación Paperclip y comenzó a trabajar para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson. En 1956 fue nombrado Director del Laboratorio de Investigación Aeronáutica de la Fuerza Aérea y en 1975 fue el Jefe Científico del Laboratorio de Aeropropulsión allí.

Durante su trabajo en Wright-Patterson, Ohain continuó con su propio trabajo personal sobre varios temas. A principios de la década de 1960, trabajó bastante en el diseño de cohetes de reactores con núcleo de gas que retendrían el combustible nuclear y permitirían que la masa de trabajo se usara como escape. La ingeniería necesaria para esta función también se usó para una variedad de otros "con los pies en la tierra" propósitos, incluyendo centrífugas y bombas. Más tarde, Ohain usaría las técnicas básicas de flujo másico de estos diseños para crear un fascinante motor a reacción sin partes móviles, en el que el flujo de aire a través del motor creaba un vórtice estable que actuaba como compresor y turbina.

Este interés en el flujo másico llevó a Ohain a investigar la magnetohidrodinámica (MHD) para la generación de energía, señalando que los gases calientes de una planta a carbón podrían usarse para extraer energía de su velocidad al salir la cámara de combustión, manteniéndose lo suficientemente caliente como para alimentar una turbina de vapor convencional. Por lo tanto, un generador MHD podría extraer más energía del carbón y conducir a una mayor eficiencia. Desafortunadamente, este diseño ha resultado difícil de construir debido a la falta de materiales adecuados, es decir, materiales no magnéticos de alta temperatura que también sean capaces de resistir el escape químicamente activo. Ohain también investigó otros conceptos relacionados con el poder.

También inventó la idea del "ala de jet", en la que el aire del compresor de un motor a reacción se purga a grandes "aumentadas" respiraderos en las alas para proporcionar sustentación a los aviones VTOL. Se sopla una pequeña cantidad de aire a alta presión en un venturi, que a su vez succiona un volumen mucho mayor de aire junto con él, lo que conduce a un "aumento del empuje". El concepto se utilizó en el avión experimental Rockwell XFV-12, aunque el interés del mercado en los aviones VTOL duró poco. Participó en varias otras patentes.

Ohain influyó en el cambio de mentalidad de Paul Bevilaqua, uno de sus alumnos en WP-AFB, de las matemáticas a la ingeniería, lo que más tarde permitió a Bevilaqua inventar el Rolls-Royce LiftSystem para el JSF F35B STOVL: " en la escuela aprendí a mover las piezas, y Hans me enseñó a jugar al ajedrez". Ohain también le mostró a Bevilaqua 'lo que realmente significan esos diagramas TS'.

Ohain se retiró de Wright-Patterson en 1979 y asumió un puesto de profesor asociado enseñando propulsión y termodinámica en la cercana Universidad de Dayton, pasando las sesiones de invierno de 1981 a 1983 enseñando las mismas materias en la Universidad de Florida. Ohain continuó en la Universidad de Dayton hasta 1992, cuando la preocupación por su salud hizo que se mudara con su esposa, Hanny, a Melbourne, Florida.

Premios

Durante su carrera, Ohain ganó muchos premios de ingeniería y administración, incluidos (entre otros) el Premio de Astronáutica Goddard del Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), el Premio al Servicio Civil Excepcional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, el Premio al Comando de Sistemas para Civiles Excepcionales Servicio, el Premio a la Gestión Eugene M. Zuckert, el Premio al Logro Especial de la Fuerza Aérea y, justo antes de jubilarse, la Mención de Honor. En 1984-1985, Ohain se desempeñó como Presidente Charles A. Lindbergh en Historia Aeroespacial, una beca de alto nivel competitiva en el Museo Nacional del Aire y el Espacio. En 1991, Ohain y Whittle recibieron conjuntamente el premio Charles Stark Draper por su trabajo en motores turborreactores. Ohain fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería de EE. UU. (NAE).

Ohain recibió el Ludwig-Prandtl-Ring de la Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (Sociedad Alemana de Aeronáutica y Astronáutica) por "contribución sobresaliente en el campo de la ingeniería aeroespacial" en 1992.

En 1982, Ohain fue incluido en International Air & Salón de la Fama del Espacio en el San Diego Air & Museo del espacio.

En 1990, Ohain fue incluido en el Salón de la Fama de la Aviación Nacional.

Muerte

Ohain murió en Melbourne, Florida, en 1998, a la edad de 86 años. Le sobrevivieron su esposa y cuatro hijos.