Hans Joachim Pabst von Ohain (14 de diciembre de 1911 - 13 de marzo de 1998) fue un físico, ingeniero y diseñador alemán del primer motor turborreactor para propulsar un avión. [1] Junto con Frank Whittle, ha sido descrito como el coinventor del motor turborreactor. Sin embargo, las líneas de tiempo históricas muestran que von Ohain todavía era un estudiante universitario cuando, en enero de 1930, Whittle presentó su primera patente para un motor turborreactor y probó con éxito su primer motor en abril de 1937, unos 6 meses antes que von Ohain. Además, antes de diseñar su motor y presentar su propia patente en 1935, von Ohain había leído y criticado las patentes de Whittle. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Von Ohain declaró en su biografía que "Mi interés por la propulsión a chorro comenzó en el otoño de 1933, cuando estaba en mi séptimo semestre en la Universidad de Göttingen. . No sabía que muchas personas antes que yo pensaban lo mismo". [3] A diferencia de Whittle, von Ohain tenía la importante ventaja de contar con el apoyo de un fabricante de aviones, Heinkel, que financió su trabajo.
Cuando en 1935 von Ohain diseñó la disposición general de su motor, lo basó, para que fuera más compacto, en un impulsor centrífugo (compresor centrífugo o radial) y una turbina de entrada radial. [9]
Al final, esta configuración tenía demasiadas deficiencias como para poder ponerla en producción; sin embargo, con la ayuda de los enormes recursos de la Heinkel Aircraft Company, una versión desarrollada fue suficiente para propulsar el He-178, y el 27 de agosto de 1939 von Ohain entró en la historia como el diseñador de la primera turbina de gas del mundo para propulsar un avión.
Von Ohain se quedó con los diseños centrífugos y contribuyó con su investigación a otros proyectos de Heinkel, como el combinado centrífugo/axial HeS8 y 011, [10] , pero finalmente ninguno de sus diseños se puso en producción. Otros diseñadores alemanes competidores, Junkers y BMW, siguiendo el diseño axial, vieron sus motores entrar en producción, aunque nunca resolvieron algunos de los problemas básicos de potencia y durabilidad. Sin embargo, Von Ohain inició la primera industria de motores a reacción del mundo en su tierra natal, Alemania, con muchos prototipos y producciones en serie construidas hasta 1945 .
Von Ohain, que había entrado en el diseño de turborreactores algún tiempo después que Whittle, comenzó a trabajar en sus primeros diseños de motores turborreactores durante el mismo período en que Whittle construía su motor WU en Gran Bretaña. Algunos han dicho que sus diseños de turborreactores son un ejemplo de invención simultánea. [11] Sin embargo, von Ohain explica en su biografía que, en 1935, mientras se preparaba su propia patente (y antes de haber comenzado la construcción de un motor), su abogado le dio una copia de la patente de Whittle, que leyó y criticó. . Como resultado, se vio obligado a modificar su propia solicitud para no infringir el diseño de Whittle. [12]
El núcleo del primer motor a reacción de Ohain, el Heinkel HeS 1 , que describió como su "motor de prueba de hidrógeno", se puso en marcha "en marzo o principios de abril" según Ohain (aunque los diarios de Ernst Heinkel lo registran como septiembre de 1937). [13] [14]
El trabajo en el motor de prueba de hidrógeno continuó, pero el motor requirió modificaciones para solucionar problemas de sobretemperatura y para instalar un sistema de combustible que le permitiera funcionar de forma autónoma con combustible líquido, lo que se logró en septiembre de 1937. [15] [16] Con el Con el fuerte respaldo de Heinkel, el motor a reacción de Ohain fue el primero en propulsar un avión, el Heinkel He 178 en 1939, al que siguió el motor de Whittle en el Gloster E.28/39 en 1941. [17] Aviones de combate propulsados por turborreactores de ambos Alemania y Gran Bretaña entraron en uso operativo prácticamente simultáneamente en julio de 1944: el Me 262 el 26 de julio y el Gloster Meteor el 27 de julio de 1944. [18] [19] [20] [21] El Me 262 fue el primer avión de combate operativo y vio combate aéreo con cientos de máquinas, mientras que las pocas docenas de Meteors vieron acción limitada.
Aunque Von Ohain y Whittle conocían los compresores de flujo axial, siguieron dedicados a mejorar los motores de compresores centrífugos para alimentar respectivamente el Heinkel He 178 y el Gloster E.28/39 hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. En cambio, los motores a reacción con compresor de flujo axial fueron desarrollados en paralelo por Anselm Franz (Junkers) y Hermann Oestrich (BMW) para diseñar motores similares Jumo 004 y BMW 003 , [22] [23] diseños que finalmente fueron adoptados por la mayoría de los fabricantes en la década de 1950. . [24] [25]
Después de la guerra, los dos hombres se conocieron, se hicieron amigos y recibieron el Premio Charles Stark Draper de Ingeniería "por su desarrollo independiente del motor turborreactor". [26] [27]
Nacido en Dessau , Alemania, [28] Ohain terminó la escuela secundaria en 1930 en el Arndt-Gymnasium de Dahlem y obtuvo un doctorado en física en 1935 en la Universidad de Göttingen , con su tesis titulada An Interference Light Relay for White Light on an Optical. micrófono para grabar sonido directamente en una película, lo que le llevó a obtener su primera patente. [29] La Universidad de Göttingen era entonces uno de los principales centros de investigación aeronáutica, y Ohain había asistido a conferencias de Ludwig Prandtl . [30] En 1933, cuando aún era estudiante, concibió lo que llamó "un motor que no requería hélice " . [28]
Después de recibir su doctorado en 1935, Ohain se convirtió en el asistente junior de Robert Wichard Pohl , entonces director del Instituto de Física de la universidad. En 1936, mientras trabajaba para Pohl, Ohain registró una patente sobre su versión de un motor a reacción, Process and Apparatus for Proproduction Airstreams for Propelling Airplanes . [31] A diferencia del diseño Power Jets WU de Frank Whittle con su turbina de flujo axial, Ohain usó una turbina de flujo de entrada radial para acompañar un compresor centrífugo , colocándolos espalda con espalda con un espacio de combustión anular envuelto alrededor del rotor.
Mientras trabajaba en la universidad, Ohain solía llevar su coche deportivo a un taller local, Bartles and Becker, para que lo revisaran. Allí conoció a un mecánico de automóviles, Max Hahn, y finalmente consiguió que construyera un modelo de demostración de su motor por 500 ℛ︁ℳ︁ . El modelo completo tenía un diámetro mayor que el motor en pleno funcionamiento de Whittle de 1937, aunque mucho más corto. Ohain llevó el modelo a la universidad para probarlo, pero tuvo problemas con la combustión del combustible de gasolina, que se producía principalmente después de la turbina, provocando que salieran llamas del conducto de escape. La falta de combustión antes de la turbina contribuyó a que el motor no pudiera funcionar sin la ayuda del motor eléctrico, que posteriormente se sobrecalentaba.
Según von Ohain: "Mi interés por los motores a reacción comenzó alrededor de 1933. Descubrí que la elegancia del vuelo se veía perjudicada por las enormes vibraciones y ruidos de la combinación motor de pistón y hélice. Llegué a la conclusión de que un proceso de trabajo constante, es decir, una compresión, combustión y expansión constantes tendrían grandes ventajas. Por eso elegí un motor bastante simple, un compresor radial con una turbina radial".
Sin embargo, el modelo que él y Max Hahn construyeron y probaron en el patio del Instituto demostró que la cámara de combustión necesitaba un mayor desarrollo. Como consecuencia, Pohl y von Ohain decidieron acercarse a Heinkel como alguien que "no retrocede ante nuevas ideas". [32]
En febrero de 1936, Pohl escribió a Ernst Heinkel contándole sobre el diseño de Ohain y sus posibilidades. Heinkel organizó una reunión entre sus ingenieros y Ohain, durante la cual argumentó que el actual "motor de garaje" nunca funcionaría, pero que el concepto en el que se basaba era sólido. Los ingenieros quedaron convencidos y en abril Ohain y Hahn comenzaron a trabajar para Heinkel [33] en el aeródromo de Marienehe en las afueras de Rostock , en Warnemünde.
Trabajando con el ingeniero Gundermann y Hahn en Desarrollo Especial, von Ohain afirma: "Bajo la presión de intentar preparar una cámara de combustión de resistencia desconocida para el vuelo, se me ocurrió la idea de separar el problema de la turbina del problema de la cámara de combustión utilizando combustible de hidrógeno. "Como físico, sabía, por supuesto, que la velocidad de difusión y combustión del hidrógeno gaseoso era sustancialmente mayor que la del petróleo". [32]
Un estudio del flujo de aire del modelo dio como resultado varias mejoras durante un período de dos meses. Animado por estos hallazgos, Ohain produjo un nuevo prototipo que funcionaría con gas hidrógeno suministrado por una fuente externa presurizada. El Heinkel-Strahltriebwerk 1 (HeS 1), que en alemán significa Heinkel Jet Engine 1, se construyó seleccionando personalmente a algunos de los mejores maquinistas de la empresa, para disgusto de los supervisores del taller. Mientras tanto, Hahn trabajó en el problema de la combustión, área en la que tenía cierta experiencia.
El motor era extremadamente sencillo y estaba fabricado en gran parte de chapa de metal. La construcción, realizada por el herrero de su pueblo, comenzó a finales del verano de 1936 y se completó en marzo de 1937. Dos semanas más tarde, el motor funcionaba con hidrógeno, pero la alta temperatura del escape provocó una considerable "quema" del metal. Por lo demás, las pruebas tuvieron éxito y en septiembre se sustituyó la cámara de combustión y el motor funcionó con gasolina por primera vez. El funcionamiento con gasolina provocó que la cámara de combustión se obstruyera. Aunque nunca se pretendió que el motor fuera un diseño de calidad de vuelo, demostró sin lugar a dudas que el concepto básico era viable, y Ohain finalmente había alcanzado a Whittle. Con mucha más financiación y apoyo de la industria, Ohain pronto superaría a Whittle y seguiría adelante.
A menudo se ha afirmado que Ohain desconocía el trabajo de Whittle. [34] Si bien en un sentido muy estricto esto puede ser cierto (en el sentido de que no estaba al tanto de los experimentos de Whittle en Lutterworth, donde el ingeniero de la RAF hizo funcionar el primer motor a reacción del mundo el 12 de abril de 1937), a Ohain se le había dado una copia de Las patentes de Whittle por parte de su abogado, mientras se preparaba su propia solicitud de patente y antes de que comenzara la construcción de un motor.
En su biografía, Ohain criticó francamente el diseño de Whittle: [35]
"Cuando vi la patente de Whittle, casi me convencí de que tenía algo que ver con las combinaciones de succión de la capa límite. Tenía un compresor de flujo radial de dos flujos y doble entrada que parecía monstruoso desde el punto de vista del motor. Su inversión de flujo parecía "Nos consideraban algo indeseable, pero resultó que no era tan malo después, aunque dio algunos problemas menores de inestabilidad... Nuestras reclamaciones de patente tuvieron que limitarse en comparación con las de Whittle porque Whittle mostró ciertas cosas". Luego, de manera algo comprensible, justificó su conocimiento del trabajo de Whittle diciendo: "Sentimos que parecía la patente de una idea... Pensamos que no se estaba trabajando seriamente en ello".
En febrero de 1937, la sección de turbinas estaba funcionando en un banco de pruebas. Según von Ohain: "Ahora estábamos trabajando en una máquina capaz de propulsar un avión, el precursor del He-S3B. Tenía la intención de colocar la cámara de combustión entre el compresor y la turbina, como habíamos hecho con la unidad de hidrógeno. , pero Hahn sugirió ponérselo por delante, lo cual fue una idea excelente". La turbina He-S3 fue probada por Erich Warsitz y Walter Künzel en un Heinkel He 118 , proporcionando un empuje acelerado adicional al motor convencional. [32] : 120
Mientras continuaba el trabajo en el HeS 1, el equipo de Pohl-Ohain ya había pasado al diseño de un motor con calidad de vuelo, el HeS 3 . Las principales diferencias fueron el uso de etapas mecanizadas de compresor y turbina, reemplazando las láminas de metal dobladas y plegadas, y una reorganización del diseño para reducir el área de la sección transversal del motor al colocar la cámara de combustión anular en un espacio extendido entre las compresor y turbina. La turbina original era demasiado pequeña para funcionar de manera eficiente.
A principios de 1939, el He-S3A se instaló en la estructura del avión He 178 para una exhibición permanente en Roggentin el 3 de julio de 1939. Sin embargo, esta turbina todavía no era lo suficientemente potente para volar. Según von Ohain, "Experimentamos con varias combinaciones para modificar el difusor del compresor y las paletas de la tobera de la turbina para aumentar el empuje lo suficiente como para calificar el avión para la primera demostración de vuelo. Descubrimos que un pequeño difusor detrás del motor con un collar y un divisor para desviar Los flujos funcionaron mejor que un flujo de alta velocidad a través de todo el tubo. El resultado final de los cambios fue el He-S3B". [32] : 122-123
Se propuso un nuevo diseño, el HeS 3b , [33] que alargó la cámara de combustión colocando la parte delantera delante del borde exterior del compresor. Si bien no es tan pequeño como el diseño original del HeS 3, el 3b era bastante compacto. El 3b funcionó por primera vez en julio de 1939 (algunas referencias dicen que en mayo) y fue probado en el aire bajo el prototipo de bombardero en picado Heinkel He 118 . El motor 3b original pronto se quemó, pero un segundo estaba a punto de completarse aproximadamente al mismo tiempo que un nuevo fuselaje de prueba, el Heinkel He 178 , que voló por primera vez el 27 de agosto de 1939, el primer avión a reacción en volar con un piloto de pruebas. Erich Warsitz . Heinkel había solicitado, el 31 de mayo de 1939, una patente: US2256198 Espacenet - Documento original, una 'Planta de energía de avión', inventor Max Hahn. La primera solicitud de esta patente en Alemania fue en mayo de 1938.
Inmediatamente se empezó a trabajar en versiones más grandes, primero el HeS 6, que era simplemente un HeS 3b más grande, y luego en un nuevo diseño conocido como HeS 8 , que una vez más reorganizó el diseño general. El compresor y la turbina estaban conectados con un tambor de gran diámetro, lo suficientemente largo como para colocar una cámara de combustión anular entre ellos. Se pretendía instalar el motor en el caza Heinkel He 280 , pero el desarrollo de la estructura del avión avanzó mucho más suavemente que el motor, y tuvo que usarse en pruebas de planeo mientras continuaba el trabajo en el motor. A finales de marzo de 1941 se instaló un HeS 8 con calidad de vuelo, seguido del primer vuelo el 2 de abril. Tres días después, se hizo una demostración del avión ante un grupo de funcionarios nazis y del RLM , quienes quedaron impresionados. Pronto siguieron fondos completos para el desarrollo.
En ese momento se estaban llevando a cabo una serie de desarrollos de turborreactores en Alemania. Heinkel quedó tan impresionado con el concepto que organizó la transferencia al proyecto de Adolph Müller de Junkers , quien estaba desarrollando un diseño accionado por compresor axial , rebautizado como Heinkel HeS 30 . Müller dejó Junkers después de que ésta comprara la empresa Junkers Motoren , que tenía en marcha su propio proyecto, que en ese momento se conocía como Junkers Jumo 004 . Mientras tanto, BMW avanzaba a buen ritmo con su propio diseño, el BMW 003 .
A principios de 1942, el HeS 8, oficialmente 109-001 (HeS 001), todavía no progresaba bien. Mientras tanto, el HeS 30 de Müller, oficialmente 109-006 (HeS 006), se estaba desarrollando mucho más rápidamente. Sin embargo, todavía faltaba un tiempo para que ambos motores estuvieran listos para la producción, mientras que el 003 y el 004 parecían estar listos para funcionar. A principios de 1942, el director de desarrollo de aviones del RLM, Helmut Schelp , rechazó más financiación para ambos diseños y ordenó a Heinkel que trabajara en un nuevo "proyecto favorito" propio, que finalmente se convirtió en el Heinkel HeS 011 . Aunque este fue el primero de los motores "Clase II" de Schelp que empezó a funcionar bien, la producción aún no había comenzado cuando terminó la guerra. El trabajo en el HeS 8 continuó durante algún tiempo, pero finalmente fue abandonado en la primavera de 1943.
Parte del desafío para von Ohain fue su enfoque para diseñar un turborreactor práctico que pudiera desarrollarse. Su diseño principal comprendía un compresor centrífugo con una turbina de flujo radial, un diseño que resultó poco práctico y, como resultado, a pesar de mucho esfuerzo, nunca se puso en producción.
En comparación, los motores de flujo centrífugo de Whittle, tanto en configuración de flujo directo como inverso (desarrollados posteriormente por Rolls Royce), impulsaron todos los aviones aliados de la Segunda Guerra Mundial y la mayoría de los cazas de la posguerra inmediata. Fueron construidos bajo licencia en numerosos países, incluidos Australia, Francia y Estados Unidos, y fueron copiados por rusos y chinos para impulsar el MiG-15 y el MiG-17. El diseño básico de flujo inverso de Whittle sigue siendo la configuración de turbina de gas más común en producción hoy en día, con más de 80.000 construidas en forma de las series de motores Allison (RR) 250/300 y Pratt & Whitney PT6 . [36] [37] [38]
Sin embargo, en su invención del HE S011 , von Ohain introdujo un concepto estándar que combinaba diseños axiales y radiales para la mayoría de los aviones comerciales actuales, junto con turbohélices y helicópteros. [39]
En 1947, Ohain fue traído a los Estados Unidos por la Operación Paperclip y comenzó a trabajar para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson . [28] En 1956 fue nombrado Director del Laboratorio de Investigación Aeronáutica de la Fuerza Aérea y en 1975 fue el Científico Jefe del Laboratorio de Aeropropulsión allí. [28]
Durante su trabajo en Wright-Patterson, Ohain continuó su trabajo personal sobre diversos temas. A principios de la década de 1960, trabajó bastante en el diseño de cohetes con reactores con núcleo de gas que retendrían el combustible nuclear y al mismo tiempo permitirían que la masa de trabajo se utilizara como escape. La ingeniería necesaria para esta función también se utilizó para una variedad de otros propósitos "con los pies en la tierra", incluidas centrífugas y bombas. Más tarde, Ohain utilizaría las técnicas básicas de flujo de masa de estos diseños para crear un fascinante motor a reacción sin partes móviles, [40] en el que el flujo de aire a través del motor creaba un vórtice estable que actuaba como compresor y turbina.
Este interés en el flujo de masa llevó a Ohain a investigar la magnetohidrodinámica (MHD) para la generación de energía, [41] observando que los gases calientes de una planta alimentada con carbón podrían usarse para extraer energía de su velocidad al salir de la cámara de combustión, permaneciendo lo suficientemente calientes. para luego alimentar una turbina de vapor convencional. Por lo tanto, un generador MHD podría extraer más energía del carbón y generar mayores eficiencias. Desafortunadamente, este diseño ha resultado difícil de construir debido a la falta de materiales adecuados, es decir, materiales no magnéticos de alta temperatura que también sean capaces de resistir los gases de escape químicamente activos. Ohain también investigó otros conceptos relacionados con el poder. [42]
También inventó [43] la idea del "ala de reacción", en la que el aire del compresor de un motor a reacción se purga hacia grandes respiraderos "aumentados" en las alas para proporcionar sustentación a los aviones VTOL . Se sopla una pequeña cantidad de aire a alta presión hacia un venturi , que a su vez aspira un volumen mucho mayor de aire, lo que conduce a un "aumento del empuje". El concepto se utilizó en el avión experimental Rockwell XFV-12 , aunque el interés del mercado por los aviones VTOL duró poco. Participó en varias otras patentes. [44]
Ohain influyó en cambiar la mente de Paul Bevilaqua , uno de sus estudiantes en WP-AFB , de las matemáticas a la ingeniería, [45] lo que más tarde permitió a Bevilaqua inventar el sistema de elevación Rolls-Royce para el JSF F35B STOVL : "en la escuela aprendí a mover las piezas y Hans me enseñó a jugar al ajedrez". [46] Ohain también mostró a Bevilaqua "lo que realmente significan esos diagramas TS ". [47]
Ohain se retiró de Wright-Patterson en 1979 y asumió un puesto de profesor asociado enseñando propulsión y termodinámica en la cercana Universidad de Dayton , [33] pasando sesiones de invierno de 1981 a 1983 enseñando las mismas materias en la Universidad de Florida . Ohain continuó en la Universidad de Dayton hasta 1992, cuando las preocupaciones por su salud provocaron que se mudara con su esposa, Hanny, a Melbourne, Florida . [48]
Durante su carrera, Ohain ganó muchos premios de ingeniería y gestión, incluido (entre otros) el Premio Goddard de Astronáutica del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), el Premio al Servicio Civil Excepcional de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , el Premio al Comando de Sistemas por Servicio Civil Excepcional, el Premio Eugene M. Zuckert a la Gestión, el Premio al Logro Especial de la Fuerza Aérea y, justo antes de jubilarse, la Mención de Honor. En 1984-1985, Ohain ocupó el cargo de Cátedra Charles A. Lindbergh de Historia Aeroespacial , una beca competitiva de alto nivel en el Museo Nacional del Aire y el Espacio . [49] En 1991, Ohain y Whittle recibieron conjuntamente el premio Charles Stark Draper por su trabajo en motores turborreactores. Ohain fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería de Estados Unidos (NAE). [28]
Ohain recibió el Anillo Ludwig-Prandtl de la Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (Sociedad Alemana de Aeronáutica y Astronáutica) por su "destacada contribución en el campo de la ingeniería aeroespacial" en 1992. [50]
En 1982, Ohain fue incluido en el Salón de la Fama Internacional del Aire y el Espacio en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego . [51]
En 1990, Ohain fue incluido en el Salón de la Fama de la Aviación Nacional . [52]
Ohain murió en Melbourne, Florida, en 1998, a la edad de 86 años. [53] Le sobrevivieron su esposa y cuatro hijos. [54] Uno de sus hijos, Christopher von Ohain, se unió al Cuerpo de Marines de los Estados Unidos (USMC). El hijo de Christopher, Hans Christopher von Ohain, también se unió al USMC; murió en un accidente automovilístico en 2022. [55]