Un avión a reacción (o simplemente a reacción ) es un avión (casi siempre un avión de ala fija ) propulsado 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 la 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 en altitudes de alrededor de 10.000 a 15.000 m (33.000 a 49.000 pies) o más.
La idea del motor a reacción no era nueva, pero los problemas técnicos involucrados no pudieron comenzar a resolverse hasta la década de 1930.Frank Whittle , un inventor inglés y oficial de la RAF , comenzó a desarrollar 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 de los primeros vuelos propulsados, se sugirieron una gran cantidad de diseños de motores a reacción. René Lorin , Morize, Harris propusieron sistemas para crear un flujo de chorro. [2]
Después de que se pusieron en funcionamiento 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 con conductos fracasó, prendiendo fuego al 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 por el calor. el flujo de salida del chorro se dirige a una superficie de tela altamente inflamable. [3]
Durante las décadas de 1920 y 1930 se probaron varios enfoques. Se diseñaron una variedad de aviones propulsados por motor jet , turbohélice , pulsejet y cohetes . En Alemania se estaban llevando a cabo investigaciones sobre motores de cohetes y el primer avión que voló con propulsión de cohete fue el Lippisch Ente , en 1928. [4] El Ente había volado anteriormente como un planeador. Al año siguiente, en 1929, el Opel RAK.1 se convirtió en el primer avión cohete construido expresamente en 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 que voló 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 de la " fluencia " (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, a diferencia del 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 a reacción que llamó la atención del público fue el prototipo de motor jet italiano Caproni Campini N.1 , que voló el 27 de agosto de 1940. [9] Fue el primer avión a reacción reconocido por la Fédération Aéronautique Internationale (en el época en que el programa alemán He 178 todavía se mantenía en secreto). Campini inició el desarrollo del motorjet 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 experimental británico Gloster E.28/39 voló por primera vez el 15 de mayo de 1941, propulsado por un turborreactor de Sir Frank Whittle . [10] El Bell XP-59A de Estados Unidos voló el 1 de octubre de 1942, utilizando dos ejemplares de una versión del motor Whittle construido por General Electric . El Meteor fue el primer avión 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 el primer avión de producción Los pedidos para la producción del avión 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 comenzó antes que el del Meteor, como Projekt 1065. , con planos 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 obtuvo la primera victoria en combate para un avión de combate el 26 de julio de 1944, el día antes de que el Gloster Meteor británico entrara en servicio operativo. El Me 262 voló 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 sobre el resultado de la Segunda Guerra Mundial . Si bien solo unos 15 Meteor estuvieron operativos durante la Segunda Guerra Mundial, se produjeron hasta 1.400 Me 262, de los cuales 300 entraron en combate. Sólo el Messerschmitt Me 163 Komet, propulsado por cohetes, fue un avión operativo más rápido durante la guerra. [ cita necesaria ]
Por esta época, a mediados de 1944, el Meteor del Reino Unido se estaba utilizando para la defensa del Reino Unido contra la bomba voladora V-1 (el V-1 en sí era un avión propulsado por pulsos y antecesor directo del misil de crucero ) y luego para ataques a tierra. operaciones sobre Europa en los últimos meses de la guerra. En 1944, Alemania puso en servicio el avión bombardero y de reconocimiento Arado Ar 234 , aunque se utilizó principalmente en la función anterior, 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 proyecto fue descartado por el líder Joseph Stalin 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 introducido en servicio su primer avión de combate, el Lockheed P-80 Shooting Star, y el Reino Unido su segundo diseño de caza, el De Havilland Vampire .
Estados Unidos puso en servicio el norteamericano B-45 Tornado , su primer bombardero a reacción, en 1948. Era capaz de transportar armas nucleares, pero se utilizaba para reconocimiento sobre Corea. El 8 de noviembre de 1950, durante la Guerra de Corea , el teniente de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos Russell J. Brown, volando en un F-80 , interceptó dos MiG-15 norcoreanos cerca del río Yalu y los derribó en el primer jet-to. -Pelea de aviones a reacción en la historia. El Reino Unido puso en servicio el English Electric Canberra en 1951 como bombardero ligero . Fue diseñado para volar más alto y más rápido que cualquier interceptor .
BOAC operó el primer servicio de avión comercial, de Londres a Johannesburgo , en 1952 con el avión de pasajeros de Havilland Comet . Este avión altamente innovador viajaba mucho más rápido y más alto 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 aviones civiles. . Se descubrió que los motores suspendidos eran ventajosos en caso de una fuga de propulsor, por lo que el 707 tenía un aspecto bastante diferente del Comet: el 707 tiene una forma que es efectivamente la misma que la de los aviones contemporáneos, con marcados puntos en común todavía evidentes hoy en día. ejemplo con el 737 (fuselaje) y el A340 (piso único, ala en flecha, cuatro motores debajo del ala).
Los aviones turbofan 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 más utilizado.
El transporte supersónico Tu-144 era el avión a reacción comercial más rápido con Mach 2,35 (2.503 km/h (1.555 mph)). Entró en servicio en 1975, pero poco después fue retirado del servicio comercial. El Concorde 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 motores a reacción basados en turbinas de gas que respiran aire , pero tanto los cohetes como los scramjets 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, turbofan, pero a menudo tendrán un sistema de propulsión de cohete para la propulsión inicial.
El avión a reacción más rápido que respira aire es el scramjet no tripulado X-43, que alcanza una velocidad de Mach 9-10 aproximadamente.
El avión tripulado (cohete) más rápido es el X-15 a Mach 6,85.
El transbordador espacial , aunque mucho más rápido que el X-43 o el X-15, no se consideraba un avión durante el ascenso, ya que era transportado balísticamente por el empuje del cohete, en lugar de por el aire. Durante el reingreso fue clasificado (como un planeador) como un avión sin motor. El primer vuelo fue en 1981.
El Bell 533 (1964), Lockheed XH-51 (1965) y Sikorsky S-69 (1977-1981) son ejemplos de diseños de helicópteros compuestos en los que los gases de escape del reactor se sumaban al empuje hacia adelante. [17] El helicóptero ultraligero Hiller YH-32 Hornet y Fairey se encontraban entre los muchos helicópteros cuyos rotores eran impulsados por chorros de punta .
Existen trajes aéreos propulsados por aviones (propulsados por motores a reacción de modelos de aviones), pero de corta duración y que deben lanzarse a gran altura. [18]
Debido a la forma en que funcionan, la velocidad de escape típica de los motores a reacción es transónica o más rápida, por lo tanto, la mayoría de los aviones a reacción necesitan volar a altas velocidades, ya sea supersónicas o velocidades justo por debajo de la velocidad del sonido (" transónicas ") para lograr eficiencia. vuelo. Por lo tanto, la aerodinámica es una consideración importante.
Los aviones a reacción generalmente se diseñan utilizando la regla del área de Whitcomb , que dice que el área total de la sección transversal del avión en cualquier punto a lo largo del avión desde la nariz debe ser aproximadamente la misma que la de una carrocería 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 cuando se necesitan operaciones a altitudes extremadamente altas donde no hay suficiente aire para operar un motor a reacción. Debido a la velocidad de escape extrema, típicamente hipersónica , y a la necesidad de llevar oxidante a bordo, consumen propulsor extremadamente rápido, lo que los hace poco prácticos para el transporte de rutina.
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 más adecuados para vuelos de alta velocidad, generalmente supersónicos. Aunque alguna vez se utilizaron ampliamente, son relativamente ineficientes en comparación con los turbohélices y los turbofan para vuelos subsónicos. Los últimos aviones importantes que utilizaron turborreactores fueron los transportes supersónicos Concorde y Tu-144 .
Los turbofan de derivación baja tienen una velocidad de escape más baja que los turborreactores y se utilizan principalmente para velocidades sónicas altas, transónicas y supersónicas bajas. Los turbofan de alto bypass son relativamente eficientes y se utilizan en aviones subsónicos 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 relativamente lentamente. [ cita necesaria ] Esto complica las maniobras de despegue y aterrizaje. En particular, durante el despegue, los motores de los aviones de hélice soplan aire sobre sus alas y eso proporciona más sustentación y un despegue más corto. Estas diferencias llamaron la atención de algunos de los primeros pilotos del BOAC Comet . [dieciséis]
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 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 de propulsión, ya sea una hélice , un escape de chorro o un ventilador. Además, la eficiencia propulsora depende en gran medida de la densidad y la velocidad del aire.
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 y que el motor convierte en energía mecánica .
Para los aviones a reacción, la eficiencia de propulsión (esencialmente eficiencia energética ) es mayor cuando el motor emite un chorro de escape a una velocidad igual o casi igual a la velocidad del vehículo. La fórmula exacta para motores que respiran aire como se da en la literatura, [20] [21] es
donde c es la velocidad de escape y v es la velocidad de la aeronave.
Para un avión de largo alcance que opera en la estratosfera , la velocidad del sonido es constante, por lo tanto, 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? Se puede demostrar que la ecuación de rango es:
que se conoce como ecuación de alcance de Breguet en honor al pionero de la aviación francesa Louis Charles Breguet .
