Un avión a reacción (o simplemente jet ) es una aeronave (casi siempre una aeronave de ala fija ) propulsada por uno o más motores a reacción .
Mientras que los motores de los aviones propulsados por hélice generalmente alcanzan su máxima eficiencia a velocidades y altitudes mucho más bajas, los motores a reacción alcanzan su máxima eficiencia a velocidades cercanas o incluso muy superiores a la velocidad del sonido . Los aviones a reacción generalmente vuelan con mayor eficiencia a aproximadamente Mach 0,8 (981 km/h (610 mph)) y a altitudes de alrededor de 10 000–15 000 m (33 000–49 000 pies) o más.
La idea del motor a reacción no era nueva, pero los problemas técnicos que implicaba no empezaron 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, [1] 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 turborreactor , 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.
Después del primer vuelo propulsado, se propusieron numerosos diseños de motores a reacción. René Lorin , Morize y Harris propusieron sistemas para crear un eflujo de chorro. [2]
Después de que se probaran 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 realizar modificaciones sustanciales en los dibujos que utilizó para respaldar sus afirmaciones posteriormente desacreditadas. [3] De hecho, el motor de ventilador entubado tuvo un contrafuego, incendiando el avión 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 el eflujo caliente del chorro dirigido a una superficie de tela altamente inflamable. [3]
Durante los años 1920 y 1930 se probaron varios enfoques. Se diseñaron una variedad de aviones propulsados por motorreactor , turbohélice , pulsorreactor y cohetes. En Alemania se estaban llevando a cabo investigaciones sobre motores cohete y el primer avión en volar con propulsión de cohetes fue el Lippisch Ente , en 1928. [4] El Ente había volado anteriormente como planeador. Al año siguiente, en 1929, el Opel RAK.1 se convirtió en el primer avión cohete construido específicamente 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. [5] [6] Esto fue en gran medida una prueba de concepto, ya que el problema del " creep " (fatiga del metal causada por las altas temperaturas dentro del motor) no se había resuelto, y el motor se quemó rápidamente. El diseño de von Ohain, un motor de flujo axial, en oposición al motor de flujo centrífugo de Whittle, fue finalmente adoptado por la mayoría de los fabricantes en la década de 1950. [7] [8]
El primer vuelo de un avión propulsado por chorro que llegó a la atención del público fue el prototipo italiano Caproni Campini N.1 , que voló el 27 de agosto de 1940. [9] Fue el primer avión a reacción reconocido por la Federación Aeronáutica Internacional (en ese momento, el programa alemán He 178 todavía se mantenía en secreto). Campini comenzó a desarrollar el motor a reacción en 1932; se diferenciaba de un verdadero turborreactor en que la turbina era impulsada por un motor de pistón, en lugar de por la combustión de los gases de la turbina, lo que era una solución mucho más compleja.
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 . [10] El Bell XP-59A estadounidense 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 a reacción de producción; los primeros pedidos de ejemplares de producción se realizaron el 8 de agosto de 1941, [11] 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, [12] mientras que los primeros pedidos de aviones de producción Me 262 no se emitieron hasta el 25 de mayo de 1943, [13] y el primer Me 262 de producción no voló hasta el 28 de marzo de 1944 [14] a pesar de que el programa Me 262 había comenzado antes que el del Meteor, como Projekt 1065, con planes iniciales elaborados por el equipo de diseño de Waldemar Voigt en abril de 1939.
El Messerschmitt Me 262 fue el primer caza a reacción operativo , [15] fabricado por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial y entró en servicio el 19 de abril de 1944 con el Erprobungskommando 262 en Lechfeld, al sur de Augsburgo. Un Me 262 anotó la primera victoria en combate para un caza a reacción el 26 de julio de 1944, el día antes de que el Gloster Meteor británico entrara en servicio operativo. 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 tener algún efecto en el resultado de la Segunda Guerra Mundial . Si bien solo alrededor de 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. [ cita requerida ]
En esa época, a mediados de 1944, el Meteor del Reino Unido se utilizaba para la defensa del Reino Unido contra la bomba volante V-1 (la V-1 era una aeronave propulsada por pulsorreactores y antecesora directa del misil de crucero ) y luego para operaciones de ataque terrestre sobre Europa en los últimos meses de la guerra. En 1944, Alemania introdujo en servicio el avión de reconocimiento y bombardeo a reacción Arado Ar 234 , aunque se utilizó principalmente en el primer papel, y el caza ligero monorreactor Heinkel He 162 Spatz apareció a finales de 1944. La URSS probó su propio Bereznyak-Isayev BI-1 en 1942, pero el líder Joseph Stalin descartó el proyecto 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 Me 262 que tenía alas plegables. A finales de 1945, Estados Unidos había puesto 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 puso en servicio en 1948 el North American B-45 Tornado , su primer bombardero a reacción. Era capaz de llevar armas nucleares, pero se utilizó para reconocimiento sobre Corea. El 8 de noviembre de 1950, durante la Guerra de Corea , el teniente Russell J. Brown de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , volando en un F-80 , interceptó dos MiG-15 norcoreanos cerca del río Yalu y los derribó en el primer combate aéreo entre aviones a reacción de la historia. El Reino Unido puso en servicio en 1951 el English Electric Canberra como bombardero ligero . Fue diseñado para volar más alto y más rápido que cualquier interceptor .
BOAC operó el primer servicio de jet comercial, de Londres a Johannesburgo , en 1952 con el avión de pasajeros de Havilland Comet . Este avión altamente innovador volaba mucho más rápido y a mayor altura 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, el avión sufrió una fatiga catastrófica del metal que provocó varios accidentes, [16] lo que dio tiempo para que el Boeing 707 entrara en servicio en 1958 y dominara así el mercado de los aviones de pasajeros civiles. Se descubrió que los motores suspendidos eran ventajosos en caso de 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 marcadas similitudes todavía evidentes hoy en día, por ejemplo, con el 737 (fuselaje) y el A340 (una sola cubierta, ala en flecha, cuatro motores debajo del ala).
Los aviones turbofán , 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 a reacción más utilizado.
El avión de transporte supersónico Tu-144 fue el avión comercial a reacción más rápido, con una velocidad de Mach 2,35 (2503 km/h [1555 mph]). Entró en servicio en 1975, pero fue retirado del servicio comercial poco después. El Concorde, que alcanzó Mach 2, 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 (3.661 km/h (2.275 mph)).
La mayoría de la gente utiliza el término "avión a reacción" para referirse a los motores a reacción que respiran aire basados en turbinas de gas , pero tanto los cohetes como los estatorreactores también son propulsados por propulsión a chorro.
Los misiles de crucero son aviones a reacción no tripulados de un solo uso, propulsados predominantemente por estatorreactores o turborreactores o, a veces, turbofán, pero a menudo tienen un sistema de propulsión de cohetes para la propulsión inicial.
El avión a reacción que respira aire más rápido es el estatorreactor no tripulado X-43, que alcanza una velocidad de Mach 9-10.
El avión (cohete) tripulado más rápido es el X-15 con Mach 6,85.
El transbordador espacial , aunque mucho más rápido que el X-43 o el X-15, no se consideraba una aeronave durante el ascenso, ya que se movía balísticamente gracias al empuje de un cohete, en lugar de hacerlo por el aire. Durante el reingreso, se lo clasificó (como a un planeador) como una aeronave sin motor. El primer vuelo se realizó 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 donde el escape de los reactores se sumaba al empuje hacia adelante. [17] El Hiller YH-32 Hornet y el helicóptero ultraligero Fairey estaban entre los muchos helicópteros donde los rotores eran impulsados por reactores de punta .
Existen trajes alados propulsados por motores a reacción de aeromodelos, pero su duración es corta y es necesario lanzarlos a gran altura. [18]
Debido a su modo de funcionamiento, la velocidad de escape típica de los motores a reacción es transónica o más rápida, por lo que la mayoría de los aviones a reacción necesitan volar a velocidades altas, ya sean supersónicas o velocidades apenas inferiores a la velocidad del sonido (" transónicas "), para lograr un vuelo eficiente. Por lo tanto, la aerodinámica es un factor importante a tener en cuenta.
Los aviones a reacción suelen diseñarse utilizando la regla del área de Whitcomb , que establece que el área total de la sección transversal del avión en cualquier punto a lo largo del mismo desde el morro 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.
Existen varios tipos de motores que funcionan expulsando gases calientes:
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Los diferentes tipos se utilizan para diferentes propósitos.
Los cohetes son el tipo más antiguo y se utilizan principalmente cuando se necesitan velocidades extremadamente altas o para operar a altitudes extremadamente altas donde no hay suficiente aire para hacer funcionar un motor a reacción. Debido a la velocidad extrema, típicamente hipersónica , de escape y a la necesidad de llevar oxidante a bordo, consumen el propulsor extremadamente rápido, lo que los hace poco prácticos para el transporte rutinario.
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 son los más adecuados para el vuelo a alta velocidad, generalmente supersónico. Aunque alguna vez se usaron ampliamente, son relativamente ineficientes en comparación con los turbohélices y los turbofán para el vuelo subsónico. Los últimos aviones importantes que utilizaron turborreactores fueron el Concorde y el transporte supersónico Tu-144 .
Los turbofán de baja derivación tienen una velocidad de escape menor que los turborreactores y se utilizan principalmente para velocidades sónicas altas, transónicas y supersónicas bajas. Los turbofán de alta derivación son relativamente eficientes y se utilizan en aeronaves subsónicas, como los aviones de pasajeros.
Los aviones a reacción vuelan de forma considerablemente diferente a los aviones de hélice .
Una diferencia es que los motores a reacción responden con relativa lentitud. [ cita requerida ] Esto complica las maniobras de despegue y aterrizaje. En particular, durante el despegue, los motores de hélice de los aviones soplan aire sobre sus alas y eso proporciona más sustentación y un despegue más corto. Estas diferencias sorprendieron a algunos de los primeros pilotos del BOAC Comet . [16]
En los aviones, la eficiencia propulsiva general 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 debidas a la resistencia del aire , la gravedad y la aceleración. También se puede expresar como la proporción de la energía mecánica realmente utilizada para propulsar el avión. Siempre es inferior al 100% debido a la pérdida de energía cinética en el escape y a la eficiencia inferior a la ideal del mecanismo propulsor, ya sea una hélice , un escape de un reactor o un ventilador. Además, la eficiencia propulsiva depende en gran medida de la densidad del aire y de la velocidad aerodinámica.
Matemáticamente, se representa como [19] donde es la eficiencia del ciclo y es la eficiencia de propulsión. La eficiencia del ciclo, en porcentaje, es la proporción de energía que se puede derivar de la fuente de energía que se convierte en energía mecánica por el motor .
En el caso de los aviones a reacción, la eficiencia de propulsión (esencialmente, la eficiencia energética ) es máxima 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 los motores que respiran aire, tal como se indica en la literatura, [20] [21] es
donde c es la velocidad de escape y v es la velocidad de la aeronave.
En el caso de un avión a reacción de largo alcance que opera en la estratosfera , la velocidad del sonido es constante, por lo que volar con un ángulo de ataque fijo y un número de Mach constante hace que el avión ascienda sin cambiar el valor de la velocidad local del sonido. En este caso:
¿Dónde está el número de Mach de crucero y la velocidad local del sonido? La ecuación de alcance se puede demostrar como:
que se conoce como la ecuación de rango Breguet en honor al pionero de la aviación francés Louis Charles Breguet .
