Historia del motor a reacción - History of the jet engine
Precursores
Los motores a reacción se remontan a la invención del eolípilo alrededor del año 150 a. C. 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 utilizó para suministrar energía mecánica y no se reconocieron las posibles aplicaciones prácticas de esta invención. Simplemente se consideró una curiosidad.
Arquitas , el fundador de la mecánica matemática, como se describe en los escritos de Aulus Gellius cinco siglos después de él, tenía fama de haber diseñado y construido el primer dispositivo volador autopropulsado artificial. Este dispositivo era un modelo con forma de pájaro propulsado por un chorro de lo que probablemente era vapor, que se dice que en realidad había volado 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 hacia un aterrizaje exitoso, ganando una posición en el ejército otomano . Sin embargo, esto fue esencialmente un truco. El problema era que los cohetes eran simplemente demasiado ineficaces a bajas velocidades para ser útiles para la aviación general.
El primer chorro de pulsos de trabajo fue patentado en 1906 por el ingeniero ruso VV Karavodin, quien completó un modelo de trabajo en 1907. El inventor francés Georges Marconnet patentó su motor de chorro de pulso sin válvulas en 1908, y Ramon Casanova, en Ripoll , España , patentó un chorro de pulso en Barcelona en 1917. , habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor de chorro de pulso en 1931, y lo demostró en una bicicleta propulsada a 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 respirar aire en los motores a reacción fueron diseños híbridos en los que una fuente de energía externa primero comprimía aire, que luego se mezclaba con combustible y se quemaba para propulsar el jet. En uno de esos sistemas, llamado thermojet 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 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 seguía siendo teórico.
Los ingenieros de la década de 1930 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 manera de mejorar radicalmente el diseño del motor de pistón, o se tendría que desarrollar un tipo completamente nuevo de central eléctrica. Los motores de turbina de gas, comúnmente llamados motores "a reacción", podrían hacer eso.
La clave de un motor a reacción práctico era la turbina de gas, que se utilizaba para extraer energía del propio motor para impulsar el compresor . La turbina de gas no fue una idea desarrollada en la década de 1930: la patente de una turbina estacionaria se otorgó 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 la fabricación. Los principales problemas fueron la seguridad, la fiabilidad, el peso y, sobre todo, el funcionamiento sostenido.
En Hungría , Albert Fonó ideó en 1915 una solución para aumentar el alcance de la artillería, que incluía un proyectil lanzado con un cañón que debía unirse con una unidad de propulsión de estatorreactor. Esto fue para hacer posible obtener un largo alcance con bajas velocidades iniciales de boca, permitiendo disparar proyectiles pesados desde cañones relativamente livianos. Fonó presentó su invento al ejército austrohúngaro pero la propuesta fue rechazada. En 1928, solicitó una patente alemana para aviones propulsados por ramjets supersónicos, que le fue concedida en 1932.
La primera patente para utilizar 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 de que los motores a reacción serían económicamente competitivos con los aviones propulsados por hélice a bajas altitudes y velocidades aerodinámicas del período: "no parece haber, en la actualidad, ninguna cualquier posibilidad de que esa propulsión a chorro del tipo aquí considerado será alguna vez de valor práctico, incluso para fines militares ".
En cambio, en la década de 1930, el motor de pistón en sus muchas formas diferentes (rotativo y radial estático, refrigerado por aire y refrigerado por líquido) era el único tipo de motor disponible para los diseñadores de aviones. 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 fundamental en 1926 ("Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas"). Más tarde, Whittle se concentraría únicamente 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 pánico cuando el motor no se paraba, acelerando incluso después de apagar el combustible. Resultó que el combustible se había filtrado en el motor y se había acumulado en los 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 bibliotecas alemanas y el hijo de Whittle sospechaba que Ohain la había leído o escuchado.
Años más tarde, von Ohain admitió en su biografía que así era. La autora Margaret Conner afirma que ″ el abogado de patentes de Ohain encontró 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 la patente de una idea "" Pensamos que no se estaba trabajando en serio ". 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: ″ Nuestras reclamaciones de patentes tuvieron que reducirse en comparación con las de Whittle porque Whittle mostraba ciertas cosas. ” “ Cuando vi la patente de Whittle, estaba casi convencido de que tenía algo que ver con combinaciones de succión de capa límite. Tenía un compresor de flujo radial de flujo de entrada dual de dos flujos que parecía 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. A continuación, Ohain conoció a Ernst Heinkel , uno de los industriales aeronáuticos más grandes de la época, quien vio de inmediato la promesa del diseño. Heinkel había comprado recientemente la compañía de motores Hirth, y Ohain y su maestro maquinista Max Hahn se establecieron allí como una nueva división de la compañía 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 de gasolina de 1,100 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. un tiempo impresionantemente corto para el desarrollo. El He 178 fue el primer avión propulsado por 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 para adaptarse al bombardero bimotor de reconocimiento Varga RMI-1 X / H diseñado por László Varga en 1940, pero el programa fue cancelado. Jendrassik también había diseñado un turbohélice de pequeña escala de 75 kW 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 volante del motor llamado 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 , partiendo 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 motores de flujo centrífugo , era que el compresor funcionaba acelerando el aire desde la entrada central hacia la periferia exterior del motor, donde el aire se comprimía luego mediante un conjunto de conductos divergentes. hacia arriba, convirtiendo su velocidad en presión. Una ventaja de este diseño era que ya se entendía bien, ya que se había implementado en supercargadores centrífugos , y luego se usaba ampliamente en motores de pistón. Sin embargo, dadas las limitaciones tecnológicas iniciales 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 un avión debido a la resistencia. Una desventaja adicional de los diseños anteriores de Whittle era que el flujo de aire se invirtió a través de la sección de combustión y nuevamente a la turbina y el tubo de escape, lo que agrega complejidad y reduce 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.
Austrian Anselm Franz de Junkers división de motores '( Junkers Motoren o Jumo ) dirigida estos problemas con la introducción de la compresor de flujo axial . Esencialmente, esta es una turbina al revés. El aire que entra en la parte delantera del motor se sopla hacia la parte trasera del motor mediante una etapa de ventilador (conductos convergentes), donde se aplasta contra un conjunto de palas no giratorias llamadas estatores (conductos divergentes). El proceso no es tan poderoso 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, 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 del primer avión de combate a reacción del mundo, el Messerschmitt Me 262 (y más tarde el primer avión de bombardero a reacción del mundo, el Arado Ar 234 ). Una variedad de razones conspiraron para retrasar la disponibilidad del motor, esta demora hizo que el caza llegara demasiado tarde para impactar decisivamente la posición de Alemania 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 turborreactor más potente, el Heinkel HeS 011 de casi 3000 libras de empuje a plena potencia, muy tarde en 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 de flujo axial y centrífugo para centrales eléctricas de turborreactor, 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 de la época, el Ministerio consideró su complejidad y falta de fiabilidad un inconveniente en tiempos de guerra. El trabajo en Metrovick condujo al motor Armstrong Siddeley Sapphire que se construiría en los EE. UU. Como el J65.
Después de la Segunda Guerra Mundial
Después del final de la guerra, los aviones a reacción alemanes y los motores a reacción fueron ampliamente estudiados 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 las mejoras en la tecnología de los cojinetes, se aumentó 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, especialmente para su 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 de 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 palas y cojinetes de turbina , etc. Los motores alemanes producidos posteriormente 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 diseñó a la inversa con el Nene para 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 la General Electric J47 proporcionó 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 tipos 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 grandes aviones civiles también tenían propulsión a reacción, lo que dejaba al motor de pistón en roles de nicho de bajo costo, como los vuelos de carga .
Las implacables mejoras en el turbohélice empujaron al motor de pistón (un motor de combustión interna) fuera de la corriente principal por completo, dejándolo sirviendo solo a 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 aviones tomó menos de veinte años.
Sin embargo, la historia no había terminado, ya que la eficiencia de los motores turborreactores era aún peor que la de los motores de pistón, pero en la década de 1970, con el advenimiento 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 finalmente llegó el sueño de viajar rápido, seguro y económico alrededor del mundo, y su severo, si bien fundamentados para la época, las predicciones de que los motores a reacción nunca llegarían a ser demasiado, fueron aniquiladas para siempre.