El Supermarine Spitfire británico fue uno de los aviones de combate más populares de la Segunda Guerra Mundial . Su fuselaje básico demostró ser extremadamente adaptable, capaz de soportar motores mucho más potentes y cargas mucho mayores que las que permitía su función original como interceptor de corto alcance. Esto condujo a la producción de 24 modelos de Spitfire y muchas subvariantes dentro de ellos durante la Segunda Guerra Mundial y más allá, en un esfuerzo continuo por cumplir con los requisitos de la Royal Air Force y combatir con éxito a los aviones enemigos en constante mejora.
El Spitfire también fue adoptado para el servicio en portaaviones de la Royal Navy ; en este papel fueron rebautizados como Supermarine Seafire . Aunque la primera versión del Seafire, el Seafire Ib, fue una adaptación directa del Spitfire Vb, las variantes sucesivas incorporaron un refuerzo muy necesario de la estructura básica del fuselaje y cambios en el equipamiento para sobrevivir al exigente entorno marítimo. Como resultado, las variantes posteriores del Seafire eran generalmente más pesadas y, en el caso de las series Seafire XV/XVII y F. 47, eran aviones muy diferentes a sus homólogos terrestres.
Cabe destacar que durante todo el proceso de desarrollo, que duró doce años, desde 1935 hasta 1948, no hubo fallas sobresalientes del diseño básico: esto es un verdadero testimonio del genio original de Reginald J. Mitchell , su sucesor Joseph Smith y los equipos de diseño que dirigieron. [1] [ atribución requerida ]
Un factor clave que permitió el desarrollo continuo del Spitfire fue el desarrollo de motores progresivamente más potentes y mejorados, comenzando con el Rolls-Royce Merlin y progresando hasta el Rolls-Royce Griffon, más grande y más potente . La evolución de los combustibles de aviación de alto octanaje y los diseños mejorados de sobrealimentadores permitieron a Rolls-Royce extraer cantidades cada vez mayores de potencia de los mismos diseños básicos. Por ejemplo, el Merlin II y III que impulsaban al Spitfire I producían un máximo de 1.030 hp (770 kW) utilizando el combustible de aviación de 87 octanos que estaba generalmente disponible desde 1938 hasta 1941; desde principios de 1940, el aumento de los suministros de combustible de 100 octanos permitió aumentar la potencia máxima a 1.310 hp (977 kW) con una mayor presión de sobrealimentación del sobrealimentador, aunque por un límite de tiempo máximo de 5 minutos. [2] En 1944, los combustibles de grado 100/150 permitieron al Merlin 66 producir 1.860 hp (1.387 kW) a bajas altitudes en el modo FS.
Dependiendo del sobrealimentador instalado, los motores se clasificaban como de baja altitud (por ejemplo, Merlin 66, Griffon III), donde el motor producía su potencia máxima por debajo de unos 10.000 pies (3.000 m), altitud media (Merlin 45), donde el motor producía su potencia máxima hasta unos 20.000 pies (6.100 m), y altitud alta (Merlin 70), donde el motor producía su potencia máxima por encima de unos 25.000 pies (7.600 m). Como resultado, los prefijos que se usaron en la mayoría de las variantes posteriores del Spitfire; LF, F y HF; indicaban si los motores instalados eran adecuados para baja, media o alta altitud, respectivamente. El uso de estos prefijos no cambió según las alas, que podían estar equipadas con puntas "recortadas", reduciendo la envergadura a unos 32 pies 6 pulgadas (9,9 m) (esto podía variar ligeramente), o las puntas "puntiagudas" que aumentaban la envergadura a 40 pies 2 pulgadas (12,29 m).
Los diseños originales de los motores Merlin y Griffon usaban sobrealimentadores de una sola etapa. Para los motores equipados con un sobrealimentador de una sola etapa, el aire que se forzaba a través de la entrada de aire del sobrealimentador era comprimido por el impulsor del sobrealimentador . En el caso de las series Merlin II/III, XII y 40, mientras se comprimía el aire, se mezclaba con combustible que se alimentaba a través de un carburador SU antes de ser alimentado a los cilindros del motor . El Merlin III produjo 1.030 hp (770 kW) a +6¼lb/in² (43 kPa ) de "impulso" (el "impulso" es la presión a la que se comprime la mezcla de aire/combustible antes de ser alimentada a los cilindros). [3] La limitación del sobrealimentador de una sola etapa era que la potencia máxima caía rápidamente a medida que se alcanzaban altitudes mayores; debido a que la presión y la densidad del aire disminuyen con la altitud, la eficiencia de un motor de pistón cae debido a la reducción en el peso del aire [nb 1] que puede ingresar al motor; Por ejemplo, la densidad del aire a 30.000 pies (9.100 m) es 1/3 de la que hay a nivel del mar , por lo que solo 1/3 de la cantidad de aire puede introducirse en el cilindro y solo 1/3 del combustible puede quemarse.
Se puede pensar en un supercargador como algo que aumenta artificialmente la densidad del aire comprimiéndolo, o como algo que fuerza más aire de lo normal hacia el cilindro cada vez que el pistón se mueve hacia abajo. [4]
El cambio más fundamental realizado en los motores Merlin (series 60, 70, 80 y 100) y Griffon (series 60 y 80) posteriores fue la incorporación de un sobrealimentador de dos etapas y dos velocidades, que proporcionó un aumento considerable de potencia, especialmente a mayores altitudes. El término "dos etapas" se refiere al uso de dos impulsores en un eje de transmisión común, lo que constituye dos sobrealimentadores en serie. [nb 2] A medida que se aspiraba aire a través de la entrada de aire, el carburador bombeaba combustible a la corriente de aire. [5] El impulsor de la primera etapa comprimía la mezcla de aire y combustible, que luego se alimentaba al impulsor más pequeño de la segunda etapa, que comprimía aún más la mezcla.
Los impulsores eran accionados por una caja de cambios de dos velocidades operada hidráulicamente. [6] A altitudes bajas a medias, el sobrealimentador estaba en la marcha Moderate Supercharger o MS (esto se refería al engranaje y, por lo tanto, a la velocidad a la que operaban los impulsores). Una vez que el avión alcanzaba y ascendía a través de una altitud crítica establecida (20 000 pies (6100 m) para las series Merlin 61 y 70), la potencia comenzaba a caer a medida que la presión atmosférica (la densidad del aire) caía. [7] Cuando se pasaba la altitud crítica, una cápsula aneroide operada por presión operaba la caja de cambios, que cambiaba la velocidad a la marcha Full Supercharger (FS) , que impulsaba los impulsores más rápido, comprimiendo así un mayor volumen de la mezcla aire-combustible. [8] [nb 3]
Se necesitaba un intercooler para evitar que la mezcla comprimida se calentara demasiado y se encendiera antes de llegar a los cilindros (detonación previa al encendido) o creara una condición conocida como detonación . El intercooler, que estaba separado del sistema de enfriamiento del motor, con su propio suministro de glicol y agua refrigerante, estaba montado en el sistema de inducción, entre la salida del sobrealimentador de segunda etapa y detrás de los bloques de cilindros. La mezcla de aire y combustible caliente del sobrealimentador circulaba a través de los tubos de refrigerante y alrededor de ellos y luego pasaba al colector de inducción principal, a través del cual se alimentaba a los cilindros. El intercooler también hacía circular refrigerante a través de pasajes en la carcasa del sobrealimentador y entre los impulsores. [9] Finalmente, se utilizó un radiador adicional (montado en el conducto del radiador de estribor debajo del ala del Spitfire) para disipar el exceso de calor de carga del intercooler. [9]
Con el sobrealimentador de dos etapas y dos velocidades, se pueden citar dos conjuntos de clasificaciones de potencia. A modo de ejemplo, la potencia máxima generada por el Merlin 61 fue de 1.565 hp (1.167 kW) a 12.250 pies (3.730 m) ( altitud crítica ) a velocidad MS, utilizando + 15 lb/in² de "impulso". [7] El engranaje FS requirió aproximadamente 200 hp (149 kW) para impulsarlo. Como resultado, la potencia máxima generada por el Merlin 61 en FS fue de 1.390 hp (1.036 kW) a 25.900 pies (7.900 m) utilizando + 15 lb/in² de impulso. [7] [10] El Merlin 66 utilizado en el LF Mk IX produjo un poco más de potencia, pero debido al uso de relaciones de transmisión ligeramente diferentes que impulsaban impulsores más pequeños, las clasificaciones de altitud crítica de las etapas del sobrealimentador fueron más bajas, 7000 pies (2100 m) y 18 000 pies (5500 m) respectivamente. Por el contrario, el Merlin 70, que fue optimizado para el vuelo a gran altitud, tuvo altitudes críticas de 14 000 pies (4300 m) (MS) y 25 400 pies (7700 m) (FS). [11] (A diferencia de los motores Merlin, los Griffon usaban sobrealimentadores que fueron diseñados para lograr el máximo rendimiento en una banda de altitud más amplia; como tal, no hubo variantes LF o HF Spitfire con motor Griffon).
Las variantes de producción originales del Merlin usaban un carburador fabricado por SU en el que el flujo de combustible se medía a través de un flotador. En la mayoría de las circunstancias, esto resultó ser suficiente, pero durante las batallas aéreas sobre Dunkerque y durante la Batalla de Inglaterra se descubrió que siempre que el Merlin se sometía a fuerzas "g" negativas, como un "toque" rápido en un picado, el motor perdía potencia brevemente por falta de combustible. Esto se debía a que la gasolina en el flotador se estaba alejando del tubo de alimentación hacia el sobrealimentador. El motor Daimler-Benz DB 601 con inyección de combustible le dio al Bf 109 una ventaja especial sobre el motor equipado con carburador; ningún Spitfire podía simplemente "tocar" y alejarse en picado de un oponente como lo hacía el 109. [12] El remedio, inventado por Beatrice "Tilly" Shilling , fue colocar un diafragma de metal con un orificio en él, a través de las cámaras del flotador. Curó parcialmente el problema de la falta de combustible en un picado. El dispositivo era conocido comúnmente como "el orificio de la señorita Shilling".
La solución definitiva fue utilizar el carburador de presión Bendix-Stromberg , que permitía una dosificación más precisa de la cantidad de combustible que utilizaba el motor y evitaba la falta de combustible. Este nuevo carburador se utilizó a partir de la serie Merlin 66 y en todos los motores Griffon. En estos motores, el carburador inyectaba combustible a 5 psi a través de una boquilla directamente al sobrealimentador y luego la mezcla de aire comprimido y combustible se dirigía a los cilindros. El desarrollo final fue el carburador de inyección SU, que inyectaba combustible en el sobrealimentador utilizando una bomba de combustible accionada en función de la velocidad del cigüeñal y las presiones del motor; aunque se instaló en los Merlin de la serie 100, que no se utilizaron en los Spitfire de producción, se utilizó en las series Griffon 60 y 80.
Los británicos midieron la presión de sobrealimentación como libras por pulgada cuadrada (o psi) por encima de un valor nominal de presión atmosférica al nivel del mar. Una lectura de +6 significaba que la mezcla de aire y combustible estaba siendo comprimida por un soplador de sobrealimentación a 20,7 (cifra redondeada) psi antes de ingresar al motor; +25 significaba que la mezcla de aire y combustible estaba siendo comprimida a 39,7 psi (14,7 psi de presión atmosférica agregada a la presión de "sobrealimentación" de 25 psi).
En un intento de aumentar el rendimiento del Spitfire Mk1 en mayo de 1940, los científicos de RAe (incluido Hayne Constant ) desarrollaron un "conducto propulsor". En esencia, se trataba de un simple estatorreactor, alimentado por gasolina, que utilizaba el efecto Meredith . Estaba alojado en un conducto de 48 por 30 por 15 pulgadas (122 cm × 76 cm × 38 cm) de profundidad montado en la línea central del fuselaje y se parecía a un tercer radiador. Las pruebas de banco mostraron que el aumento de velocidad no era significativo y el dispositivo no se probó en vuelo. En 1943, la idea se reconsideró como una forma de contrarrestar la amenaza del V1 . Aviones como el Hawker Tempest y el Gloster Meteor no estaban ampliamente disponibles y el Spitfire solo podría interceptarlos en un ataque en picado. AD Baxter y CWR Smith en Farnborough revisaron el trabajo de 1940 y concluyeron que era práctico, pero se encontraron problemas con el arrastre y la pérdida de presión y el V1 había sido golpeado antes de que se resolvieran. [14]
Debido a las muchas diferencias entre los Spitfires de producción, el rendimiento podía variar ampliamente, incluso entre aviones con el mismo número de marca . Factores como el peso, los accesorios externos, el fuselaje y el estado del motor, entre otros, influían en el rendimiento de un avión. Por ejemplo, incluso un daño relativamente menor en los bordes de ataque del ala podía reducir drásticamente la velocidad máxima. Las cifras de rendimiento y las mediciones de peso más fiables proceden de las pruebas realizadas a lo largo de la Segunda Guerra Mundial por el Aeroplane & Armament Experimental Establishment (A&AEE) con sede en Boscombe Down .