Historia del motor a reacción (jet)

Los motores a reacción se remontan a la invención del eolipile alrededor del 150 a. Este dispositivo usaba energía de vapor dirigida a través de dos boquillas para hacer que una esfera girara rápidamente sobre su eje. Hasta donde se sabe, no se usó para suministrar energía mecánica, y no se reconocieron las posibles aplicaciones prácticas de esta invención. Simplemente se consideró una curiosidad.

Se dice que Arquitas, el fundador de la mecánica matemática, como se describe en los escritos de Aulo Gelio cinco siglos después de él, diseñó y construyó el primer dispositivo volador artificial autopropulsado. Este dispositivo era un modelo en forma de pájaro propulsado por un chorro de lo que probablemente era vapor, y se dice que en realidad voló unos 200 metros.

Se dice que el otomano Lagari Hasan Çelebi despegó en 1633 con lo que se describió como un cohete en forma de cono y luego se deslizó con alas en un aterrizaje exitoso, ganando una posición en el ejército otomano. Sin embargo, esto fue esencialmente un truco. El problema era que los cohetes son simplemente demasiado ineficientes a bajas velocidades para ser útiles para la aviación general.

El primer pulsorreactor en funcionamiento fue patentado en 1906 por el ingeniero ruso VV Karavodin, quien completó un modelo funcional en 1907. El inventor francés Georges Marconnet patentó su motor de pulsorreactor sin válvulas en 1908, y Ramon Casanova, en Ripoll, España, patentó un pulsorreactor en Barcelona en 1917., habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor de chorro de pulsos en 1931 y lo demostró en una bicicleta propulsada por chorro. El ingeniero Paul Schmidt fue pionero en un diseño más eficiente basado en la modificación de las válvulas de admisión (o aletas), lo que le valió el apoyo del gobierno del Ministerio del Aire alemán en 1933.

Algunos de los primeros intentos de motores a reacción de respiración de aire fueron diseños híbridos en los que una fuente de energía externa comprimía primero el aire, que luego se mezclaba con combustible y se quemaba para el empuje del avión. En uno de esos sistemas, llamado termojet por Secondo Campini pero más comúnmente, motorjet, el aire era comprimido por un ventilador impulsado por un motor de pistón convencional. Los ejemplos incluyen el Caproni Campini N.1 y el motor japonés Tsu-11 destinado a impulsar los aviones kamikaze Ohka hacia el final de la Segunda Guerra Mundial. Ninguno fue del todo exitoso y el CC.2 terminó siendo más lento que el mismo diseño con una combinación tradicional de motor y hélice.

En 1913, el ingeniero aeroespacial francés René Lorin patentó un diseño para el primer estatorreactor del mundo, pero no fue posible desarrollar un prototipo funcional ya que ningún avión existente podía alcanzar la velocidad suficiente para operar, por lo que el concepto siguió siendo teórico.

En la década de 1930, los ingenieros se dieron cuenta de que el rendimiento máximo de los motores de pistón era limitado, ya que la eficiencia de propulsión disminuía a medida que las puntas de las palas se acercaban a la velocidad del sonido. Para que el rendimiento del motor aumente más allá de esta barrera, se tendría que encontrar una forma de mejorar radicalmente el diseño del motor de pistón, o se tendría que desarrollar un tipo de motor completamente nuevo. Los motores de turbina de gas, comúnmente llamados motores "jet", podrían hacer eso.

La clave de un motor a reacción práctico era la turbina de gas, utilizada para extraer energía del propio motor para accionar el compresor. La turbina de gas no fue una idea desarrollada en la década de 1930: la patente de una turbina estacionaria se concedió a John Barber en Inglaterra en 1791. La primera turbina de gas que funcionó con éxito de manera autosuficiente fue construida en 1903 por el ingeniero noruego Ægidius Elling. Las limitaciones en el diseño y la ingeniería práctica y la metalurgia impidieron que tales motores llegaran a fabricarse. Los principales problemas eran la seguridad, la fiabilidad, el peso y, sobre todo, el funcionamiento sostenido.

En Hungría, Albert Fonó en 1915 ideó una solución para aumentar el alcance de la artillería, que consistía en un proyectil lanzado con un cañón que se uniría a una unidad de propulsión ramjet. Esto fue para hacer posible obtener un largo alcance con bajas velocidades iniciales iniciales, lo que permitía disparar proyectiles pesados ​​​​desde armas relativamente livianas. Fonó presentó su invento al ejército austrohúngaro pero la propuesta fue rechazada. En 1928 solicitó una patente alemana sobre aeronaves propulsadas por estatorreactores supersónicos, que le fue concedida en 1932.

La primera patente para usar una turbina de gas para propulsar un avión fue presentada en 1921 por el francés Maxime Guillaume. Su motor era un turborreactor de flujo axial.

En 1923, Edgar Buckingham, de la Oficina Nacional de Normas de EE. UU., publicó un informe en el que expresaba su escepticismo respecto de que los motores a reacción serían económicamente competitivos con los aviones propulsados ​​por hélice a las bajas altitudes y velocidades aerodinámicas de la época: "no parece haber, en la actualidad, ninguna Cualquiera que sea la perspectiva, la propulsión a chorro del tipo aquí considerado tendrá algún valor práctico, incluso para fines militares".

En cambio, en la década de 1930, el motor de pistón en sus muchas formas diferentes (rotativo y estático radial, enfriado por aire y enfriado por líquido en línea) era el único tipo de motor disponible para los diseñadores de aeronaves. Esto era aceptable siempre que solo se requirieran aviones de bajo rendimiento y, de hecho, todos los que estuvieran disponibles.

Antes de la Segunda Guerra Mundial

En 1928, el cadete de la RAF College Cranwell, Frank Whittle, presentó formalmente sus ideas para un turborreactor a sus superiores. En octubre de 1929, desarrolló aún más sus ideas. El 16 de enero de 1930 en Inglaterra, Whittle presentó su primera patente (concedida en 1932).La patente mostraba un compresor axial de dos etapas que alimentaba un compresor centrífugo de un solo lado. Los compresores axiales prácticos fueron posibles gracias a las ideas de AA Griffith en un artículo seminal en 1926 ("Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas"). Más tarde, Whittle se concentraría solo en el compresor centrífugo más simple, por una variedad de razones prácticas. Whittle puso en marcha su primer motor en abril de 1937. Era de combustible líquido e incluía una bomba de combustible autónoma. El equipo de Whittle experimentó casi el pánico cuando el motor no se detuvo, acelerando incluso después de que se apagó el combustible. Resultó que el combustible se había filtrado en el motor y se había acumulado en charcos.

En 1935, Hans von Ohain comenzó a trabajar en un diseño similar en Alemania y, a menudo, se afirma que desconocía el trabajo de Whittle. Ohain dijo que no había leído la patente de Whittle y Whittle le creyó (Frank Whittle 1907-1996). Sin embargo, la patente de Whittle estaba en las bibliotecas alemanas y el hijo de Whittle sospechaba que Ohain había leído u oído hablar de ella.

Años después, von Ohain admitió en su biografía que así era. La autora Margaret Conner afirma que "el abogado de patentes de Ohain se topó con una patente de Whittle en los años en que se estaban formulando las patentes de von Ohain". Se cita al propio Von Ohain diciendo " Sentimos que parecía una patente de una idea" "Pensamos que no se estaba trabajando seriamente". Como la patente de Ohain no se presentó hasta 1935, esta admisión muestra claramente que había leído la patente de Whittle e incluso la había criticado con cierto detalle antes de presentar su propia patente y unos 2 años antes de su propio motor. corrió.

VON OHAIN: ″Nuestros reclamos de patente tuvieron que reducirse en comparación con los de Whittle porque Whittle mostró ciertas cosas". "Cuando vi la patente de Whittle, estaba casi convencido de que tenía algo que ver con las combinaciones de succión de la capa límite. Tenía un compresor de flujo radial de dos flujos y dos flujos de entrada que se veía monstruoso desde el punto de vista del motor. Su inversión de flujo nos pareció algo indeseable, pero resultó que no fue tan malo después, aunque dio algunos problemas menores de inestabilidad”.

Su primer dispositivo fue estrictamente experimental y solo podía funcionar con energía externa, pero pudo demostrar el concepto básico. Luego, Ohain conoció a Ernst Heinkel, uno de los industriales aeronáuticos más grandes de la época, quien inmediatamente vio la promesa del diseño. Heinkel había comprado recientemente la empresa de motores Hirth, y Ohain y su maestro maquinista Max Hahn se establecieron allí como una nueva división de la empresa Hirth. Tenían su primer motor centrífugo HeS 1 en funcionamiento en septiembre de 1937. A diferencia del diseño de Whittle, Ohain usaba hidrógeno como combustible, suministrado bajo presión externa. Sus diseños posteriores culminaron en el HeS 3 alimentado con gasolina de 1100 lbf (5 kN), que se instaló en el fuselaje simple y compacto He 178 de Heinkel y fue volado por Erich Warsitz en la madrugada del 27 de agosto de 1939, desde el aeródromo de Rostock-Marienehe.El He 178 fue el primer avión turborreactor del mundo en volar.

El primer turbohélice del mundo fue el Jendrassik Cs-1 diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik. Fue producido y probado en la fábrica de Ganz en Budapest entre 1938 y 1942. Estaba previsto que encajara en el bombardero de reconocimiento bimotor Varga RMI-1 X/H diseñado por László Varga en 1940 pero el programa fue cancelado. Jendrassik también había diseñado un turbohélice de 75 kW a pequeña escala en 1937.

El motor de Whittle comenzaba a parecer útil y su Power Jets Ltd. comenzó a recibir dinero del Ministerio del Aire. En 1941, una versión volable del motor llamada W.1, capaz de 1000 lbf (4 kN) de empuje, se instaló en el fuselaje Gloster E28/39 especialmente construido para él y voló por primera vez el 15 de mayo de 1941 en RAF Cranwell.

El diseñador de motores de aviones británico, Frank Halford, trabajando a partir de las ideas de Whittle, desarrolló una versión "directa" del chorro centrífugo; su diseño se convirtió en el de Havilland Goblin.

Un problema con estos dos primeros diseños, que se denominan flujo centrífugomotores, era que el compresor funcionaba acelerando el aire hacia el exterior desde la entrada central hasta la periferia exterior del motor, donde el aire se comprimía mediante un conducto divergente instalado, convirtiendo su velocidad en presión. Una ventaja de este diseño era que ya se entendía bien, ya que se implementó en sobrealimentadores centrífugos y luego se usó ampliamente en motores de pistón. Sin embargo, dadas las primeras limitaciones tecnológicas en la velocidad del eje del motor, el compresor necesitaba tener un diámetro muy grande para producir la potencia requerida. Esto significaba que los motores tenían un área frontal grande, lo que lo hacía menos útil como motor de avión debido a la resistencia. Otra desventaja de los primeros diseños de Whittle era que el flujo de aire se invertía a través de la sección de combustión y nuevamente hacia la turbina y el tubo de escape. agregando complejidad y reduciendo la eficiencia. Sin embargo, estos tipos de motores tenían las principales ventajas de peso ligero, simplicidad y confiabilidad, y el desarrollo progresó rápidamente a diseños prácticos de aeronavegabilidad.

El austriaco Anselm Franz de la división de motores de Junkers (Junkers Motoren o Jumo) abordó estos problemas con la introducción del compresor de flujo axial. Esencialmente, esta es una turbina en reversa. El aire que entra por la parte delantera del motor es impulsado hacia la parte trasera del motor por una etapa de ventilador (conductos convergentes), donde es aplastado contra un conjunto de álabes no giratorios denominados estatores.(conductos divergentes). El proceso no es tan potente como el compresor centrífugo, por lo que varios de estos pares de ventiladores y estatores se colocan en serie para obtener la compresión necesaria. Incluso con toda la complejidad añadida, el motor resultante tiene un diámetro mucho más pequeño y, por lo tanto, es más aerodinámico. A Jumo se le asignó el siguiente número de motor en la secuencia de numeración RLM, 4, y el resultado fue el motor Jumo 004. Después de que se resolvieron muchas dificultades técnicas menores, la producción en masa de este motor comenzó en 1944 como motor para el primer avión de combate a reacción del mundo, el Messerschmitt Me 262 (y más tarde el primer avión bombardero a reacción del mundo, el Arado Ar 234). Una variedad de razones conspiraron para retrasar la disponibilidad del motor, este retraso hizo que el caza llegara demasiado tarde para impactar decisivamente en Alemania. posición de s en la Segunda Guerra Mundial. No obstante, será recordado como el primer uso de motores a reacción en servicio.

La empresa de centrales eléctricas de aviación Heinkel-Hirth también intentó crear un motor turborreactor más potente, el Heinkel HeS 011 de casi 3000 libras de empuje a plena potencia, muy al final de la guerra para mejorar las opciones de propulsión disponibles para los nuevos diseños de aviones militares alemanes. y mejorar el rendimiento de los diseños existentes. Usó una sección de compresor "diagonal" única que combinaba las características de los diseños de compresores centrífugos y de flujo axial para centrales eléctricas turborreactores, pero permaneció en el banco de pruebas, con solo unos diecinueve ejemplos producidos.

En el Reino Unido, su primer motor de flujo axial, el Metrovick F.2, funcionó en 1941 y voló por primera vez en 1943. Aunque era más potente que los diseños centrífugos en ese momento, el Ministerio consideró su complejidad y falta de confiabilidad como un inconveniente en tiempos de guerra. El trabajo en Metrovick condujo al motor Armstrong Siddeley Sapphire que se fabricaría en los EE. UU. como J65.

Posterior a la Segunda Guerra Mundial

Después del final de la guerra, los aviones de reacción alemanes y los motores a reacción fueron estudiados exhaustivamente por los aliados victoriosos y contribuyeron al trabajo en los primeros aviones de combate soviéticos (ver Arkhip Lyulka) y estadounidenses. El legado del motor de flujo axial se ve en el hecho de que prácticamente todos los motores a reacción de los aviones de ala fija se han inspirado en este diseño.

Los motores de flujo centrífugo han mejorado desde su introducción. Con mejoras en la tecnología de cojinetes, se incrementó la velocidad del eje del motor, lo que redujo en gran medida el diámetro del compresor centrífugo. La corta longitud del motor sigue siendo una ventaja de este diseño, particularmente para uso en helicópteros donde el tamaño total es más importante que el área frontal. Además, como los componentes de su motor son más robustos, son menos propensos a sufrir daños por objetos extraños que los motores con compresor de flujo axial.

Aunque los diseños alemanes eran más avanzados aerodinámicamente, la combinación de simplicidad y la falta de metales raros necesarios para la metalurgia avanzada necesaria (como tungsteno, cromo y titanio) para componentes de alta tensión como álabes de turbina y cojinetes, etc. significó que el Los motores alemanes producidos más tarde tenían una vida útil corta y debían cambiarse después de 10 a 25 horas. Los motores británicos también se fabricaron ampliamente bajo licencia en los EE. UU. (ver Misión Tizard) y se vendieron a la Rusia soviética, que los invirtió con ingeniería y el Nene pasó a impulsar el famoso MiG-15. Los diseños estadounidenses y soviéticos, tipos independientes de flujo axial, en su mayor parte, se esforzarían por lograr un rendimiento superior hasta la década de 1960, aunque el General Electric J47 brindó un excelente servicio en el F-86 Sabre en la década de 1950.

En la década de 1950, el motor a reacción era casi universal en los aviones de combate, con la excepción de los de carga, enlace y otros tipos especiales. En este punto, algunos de los diseños británicos ya estaban autorizados para uso civil y habían aparecido en los primeros modelos como el de Havilland Comet y el Avro Canada Jetliner. En la década de 1960, todos los aviones civiles grandes también tenían propulsión a chorro, dejando el motor de pistón en funciones de nicho de bajo costo, como los vuelos de carga.

Las incesantes mejoras en el turbopropulsor sacaron por completo al motor de pistón (un motor de combustión interna) de la corriente principal, dejándolo al servicio solo de los diseños de aviación general más pequeños y algunos usos en aviones no tripulados. La ascensión del motor a reacción a un uso casi universal en los aviones tomó menos de veinte años.

Sin embargo, la historia no había llegado a su fin, ya que la eficiencia de los motores turborreactores aún era bastante peor que la de los motores de pistón, pero en la década de 1970, con la llegada de los motores a reacción de alto bypass, una innovación no prevista por los primeros comentaristas como Edgar Buckingham, a altas velocidades y grandes altitudes que les parecían absurdas, solo entonces la eficiencia de combustible finalmente superó la de los mejores motores de pistón y hélice, y el sueño de viajar alrededor del mundo rápido, seguro y económico finalmente llegó, y su adusto, si bien fundadas para la época, las predicciones de que los motores a reacción nunca llegarían a mucho, fueron eliminadas para siempre.