Los motores a reacción se remontan a la invención de la eolípila , en torno al año 150 a. C. Este dispositivo utilizaba la energía del vapor dirigida a través de dos toberas para hacer que una esfera girara rápidamente sobre su eje. [1] Hasta donde se sabe, no se utilizaba para suministrar energía mecánica y no se reconocían las posibles aplicaciones prácticas de esta invención. Se la consideraba simplemente una curiosidad.
Se dice que Arquitas , el fundador de la mecánica matemática, según 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 con forma de pájaro propulsado por un chorro de lo que probablemente era vapor, que se dice que 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 planeó con alas hasta aterrizar con éxito, lo que le valió una posición en el ejército otomano . Sin embargo, esto fue esencialmente una maniobra publicitaria. El problema era que los cohetes son simplemente demasiado ineficientes a bajas velocidades como para ser útiles para la aviación general.
El primer motor de pulsorreactor funcional 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 motor de pulsorreactor en Barcelona en 1917, habiendo construido uno a partir de 1913. Robert Goddard inventó un motor de pulsorreactor en 1931 y lo demostró en una bicicleta propulsada por chorro. [2] El ingeniero Paul Schmidt fue pionero en un diseño más eficiente basado en la modificación de las válvulas de admisión (o flaps), lo que le valió el apoyo gubernamental del Ministerio del Aire alemán en 1933. [3]
Algunos de los primeros intentos de desarrollar motores a reacción que respiraran 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 generar empuje. En uno de esos sistemas, llamado termorreactor por Secondo Campini , pero más comúnmente llamado motorreactor , el aire era comprimido por un ventilador impulsado por un motor de pistón convencional . Algunos 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 tuvo un éxito total 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 que funcionara, 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, [4] 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 aumentara más allá de esta barrera, habría que encontrar una manera de mejorar radicalmente el diseño del motor de pistón, o habría que desarrollar un tipo de motor completamente nuevo. Los motores de turbina de gas, comúnmente llamados motores "a reacción", podrían lograrlo.
La clave para un motor a reacción práctico fue 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 para una turbina estacionaria fue otorgada a John Barber en Inglaterra en 1791. La primera turbina de gas que funcionó con éxito de manera autosostenible 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, especialmente, el funcionamiento sostenido.
En Hungría , Albert Fonó ideó en 1915 una solución para aumentar el alcance de la artillería, que comprendía un proyectil lanzado desde un cañón que debía unirse a una unidad de propulsión por estatorreactor. Esto permitiría obtener un largo alcance con bajas velocidades iniciales de salida, lo que permitiría disparar proyectiles pesados desde cañones relativamente ligeros. Fonó presentó su invento al ejército austrohúngaro, pero la propuesta fue rechazada. En 1928 solicitó una patente alemana para aviones propulsados por estatorreactores supersónicos, que le fue concedida en 1932. [5] [6] [7]
La primera patente para el uso de una turbina de gas para propulsar un avión fue presentada en 1921 por el francés Maxime Guillaume . [8] Su motor era un turborreactor de flujo axial .
En 1923, Edgar Buckingham, de la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos, publicó un informe [9] en el que expresaba su escepticismo respecto de que los motores a reacción fueran económicamente competitivos con los aviones de hélice a las bajas altitudes y velocidades de la época: "no parece haber, en la actualidad, ninguna perspectiva de que la propulsión a chorro del tipo aquí considerado llegue a tener algún día valor práctico, ni siquiera para fines militares".
En cambio, en la década de 1930, el motor de pistón en sus diversas formas (rotatorio y radial estático, refrigerado por aire y refrigerado por líquido en línea) era el único tipo de motor disponible para los diseñadores de aeronaves. Esto era aceptable mientras solo se necesitaran aeronaves de bajo rendimiento y, de hecho, todas las que estaban disponibles.
En 1928, el cadete de la RAF College Cranwell [10] Frank Whittle presentó formalmente sus ideas para un turborreactor a sus superiores. En octubre de 1929, desarrolló aún más sus ideas. [11] El 16 de enero de 1930 en Inglaterra, Whittle presentó su primera patente (concedida en 1932). [12] 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 de 1926 ("Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas"). Whittle se concentraría más tarde solo en el compresor centrífugo más simple, por una variedad de razones prácticas. Whittle tuvo su primer motor en funcionamiento 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 detenía, acelerando incluso después de que se apagara el combustible. Resultó que el combustible se había filtrado en el motor y se había acumulado en charcos.
En España, el piloto e ingeniero Virgilio Leret Ruiz obtuvo una patente para el diseño de un motor a reacción en marzo de 1935. El presidente republicano Manuel Azaña organizó la construcción inicial en la fábrica de aviones Hispano-Suiza en Madrid en 1936, pero Leret fue ejecutado meses después por las tropas marroquíes franquistas después de defender sin éxito su base de hidroaviones en los primeros días de la Guerra Civil Española . Sus planos, ocultos a los franquistas, fueron entregados en secreto a la embajada británica en Madrid unos años más tarde por su esposa, Carlota O'Neill , tras su liberación de prisión. [13] [14] En 1935, Hans von Ohain comenzó a trabajar en un diseño similar al de Whittle en Alemania, y a menudo se afirma que desconocía el trabajo de Whittle. [15] 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 tenía sospechas de que Ohain había leído o oído hablar de ella. [ cita requerida ]
Años más tarde, von Ohain admitió en su biografía [16] que así era. La autora Margaret Conner afirma: "El abogado de patentes de Ohain se topó con una patente de Whittle en los años en que se formularon las patentes de von Ohain". El propio von Ohain dice: " Nos pareció que parecía la patente de una idea", "creíamos que no se estaba trabajando en ello 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 dos años antes de que su propio motor funcionara.
VON OHAIN: ″Nuestras reivindicaciones de patente tuvieron que ser más limitadas en comparación con las de Whittle porque Whittle demostró 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 doble flujo y doble entrada que parecía monstruoso desde el punto de vista del motor. Su inversión de flujo nos pareció algo indeseable, pero resultó que no era tan malo después, aunque dio algunos problemas menores de inestabilidad. ″
Su primer dispositivo era estrictamente experimental y sólo podía funcionar con energía externa, pero fue capaz de demostrar el concepto básico. Ohain fue presentado entonces a Ernst Heinkel , uno de los mayores industriales aeronáuticos de la época, que 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 utilizaba hidrógeno como combustible, suministrado bajo presión externa. Sus diseños posteriores culminaron en el HeS 3 alimentado con gasolina de 1.100 lbf (5 kN), que se instaló en el fuselaje simple y compacto He 178 de Heinkel y voló 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. [ editorializando ] El He 178 fue el primer avión propulsado por turborreactor del mundo en volar. [17]
El primer turbohélice del mundo fue el Jendrassik Cs-1, diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik . Se fabricó y probó en la fábrica de Ganz en Budapest entre 1938 y 1942. Estaba previsto que se instalara en el bombardero de reconocimiento bimotor Varga RMI-1 X/H, diseñado por László Varga en 1940, pero el programa se canceló. Jendrassik también había diseñado un turbohélice de 75 kW a pequeña escala en 1937.
El motor de Whittle empezaba a resultar útil y su empresa Power Jets Ltd. empezó a recibir dinero del Ministerio del Aire . En 1941, se instaló una versión del motor llamada W.1 , capaz de desarrollar 1000 lbf (4 kN) de empuje, en el fuselaje del Gloster E28/39 construido especialmente para él y voló por primera vez el 15 de mayo de 1941 en la base de la RAF Cranwell .
El diseñador de motores de aviación 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 motores de flujo centrífugo , era que el compresor funcionaba acelerando el aire hacia afuera desde la entrada central hasta la periferia exterior del motor, donde el aire se comprimía mediante una configuración de conductos divergentes, convirtiendo su velocidad en presión. Una ventaja de este diseño era que ya se entendía bien, habiéndose implementado en sobrealimentadores centrífugos , que entonces se usaban ampliamente en los 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 una gran área frontal, lo que lo hacía menos útil como motor de aeronaves 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, lo que agregaba complejidad y reducía la eficiencia. Sin embargo, este tipo de motores tenían las principales ventajas de peso ligero, simplicidad y confiabilidad, y el desarrollo progresó rápidamente hasta diseños prácticos aptos para volar.
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 . Básicamente, se trata de una turbina al revés. El aire que entra por la parte delantera del motor es impulsado hacia la parte trasera del motor por una etapa de ventiladores (conductos convergentes), donde es aplastado contra un conjunto de álabes no giratorios llamados estatores (conductos divergentes). El proceso no es ni de lejos tan potente como el compresor centrífugo, por lo que se colocan varios de estos pares de ventiladores y estatores en serie para obtener la compresión necesaria. Incluso con toda la complejidad añadida, el motor resultante tiene un diámetro mucho menor y, por 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 . Tras resolverse muchos problemas técnicos menores, en 1944 se inició la producción en masa de este motor como motor del primer avión de combate a reacción del mundo, el Messerschmitt Me 262 (y más tarde del primer avión bombardero a reacción del mundo, el Arado Ar 234 ). Diversos motivos conspiraron para retrasar la disponibilidad del motor, lo que provocó que el caza llegara demasiado tarde para influir decisivamente en 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 motores de aviación Heinkel-Hirth también intentó crear un motor turborreactor más potente, el Heinkel HeS 011 de casi 3.000 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 a reacción alemanes y para mejorar el rendimiento de los diseños existentes. Utilizó una sección de compresor "diagonal" única que combinaba las características de los diseños de compresores centrífugos y de flujo axial para motores turborreactores, pero permaneció en el banco de pruebas y solo se produjeron unos diecinueve ejemplares.
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 que su complejidad y falta de fiabilidad eran un inconveniente en tiempos de guerra. El trabajo en Metrovick dio lugar al motor Armstrong Siddeley Sapphire , que se fabricaría en Estados Unidos con el nombre de J65.
Tras el fin de la guerra, los aviones a reacción y los motores a reacción alemanes fueron estudiados en profundidad por los aliados victoriosos y contribuyeron a los trabajos sobre los primeros aviones de combate soviéticos (véase Arkhip Lyulka ) y estadounidenses. El legado del motor de flujo axial se aprecia 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 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, en particular para su uso en helicópteros, donde el tamaño total es más importante que el área frontal. Además, como sus componentes del 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 turbinas y cojinetes , etc. significaba que los motores alemanes producidos más tarde tenían una vida útil corta y tenían que 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 en ingeniería inversa con el Nene pasando a impulsar el famoso MiG-15 . Los diseños estadounidenses y soviéticos, tipos de flujo axial independientes, en su mayor parte, se esforzarían por lograr un rendimiento superior hasta la década de 1960, aunque el 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 de carga, enlace y otros tipos especiales. En ese momento, 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 de gran tamaño también eran propulsados por reactores, lo que dejó al motor de pistón en funciones de nicho de bajo costo, como los vuelos de carga .
La eficiencia de combustible de los motores turborreactores era originalmente peor que la de los motores de pistón, ya que se intercambiaba mayor velocidad por más combustible, pero la década de 1970 vio el advenimiento de los motores de alto bypass en los aviones a reacción que lograron la paridad y luego una mayor eficiencia a grandes altitudes, lo que permitió vuelos directos mucho más largos. [18] Las mejoras en el turbohélice sacaron al motor de pistón de la corriente principal por completo, dejándolo sirviendo solo a los diseños de aviación general más pequeños y algún uso en aviones no tripulados .