Todo vuelo de un artefacto más pesado que el aire (aerodinos) requiere inexorablemente una fuente de potencia que le provea la capacidad de sustentarse o sostenerse en el aire. El desarrollo que suplió esa necesidad fue la gran novedad tecnológica de los primeros años del siglo XX, el motor a pistón.

Un motor a pistón es una máquina de combustión interna donde el flujo de materia, una mezcla de aire y combustible sufre procesos cíclicos, ejerciendo trabajo en al menos uno de esos ciclos. Por esto se lo denomina también motor alternativo. Este trabajo que se obtiene sirve para movilizar, de forma rotativa, ruedas, maquinaria, o las hélices de un avión. Es así que los motores a pistón aeronáuticos son similares a los usados en automóviles.

Por su parte las secciones de las palas de la hélice son perfiles aerodinámicos, similares a los de las alas. Al rotar y hacer pasar aire sobre ellas se produce una fuerza aerodinámica resultante que actúa sobre la aeronave de manera horizontal ya sea tirándola, en configuración tractora (hélice adelante), o empujándola, en configuración propulsora (hélice detrás).

Existen, a grandes rasgos, 3 configuraciones de los cilindros para motores alternativos aeronáuticos. Motores rotativos que giran junto con la hélice, motores radiales también llamados en estrella y motores en línea ya sea horizontales (planos) o verticales.

Esquema de funcionamiento de un motor radial. Los cilindros detonan secuencialmente otorgando movimiento rotativo a un cigüeñal acoplado excéntricamente.

Luego de la Primera Guerra Mundial se comenzó a valorar la aeronáutica mucho más allá de la simple novedad y pasatiempo deportivo de los “sportsman” de clases acomodadas. Una gran posibilidad de explotación económica estaba surgiendo. Aparecieron así los primeros biplanos de línea, muchas veces modificaciones de bombarderos usados durante la Gran Guerra, que llegaron a transportar hasta 14 personas. 

A lo largo de la década de 1920, una multitud de compañías de Gran Bretaña y Francia estuvieron a la vanguardia de la industria de los aviones civiles. La mejora en la autonomía y la utilización de 2 o 3 motores les permitió trazar las primeras rutas internacionales y luego intercontinentales.

La década de 1930 fue particularmente prodigiosa para la aeronáutica. La mejora en procesos productivos, el acceso económico a materiales livianos y las nuevas técnicas de metalurgia abrieron el paso a un tipo nuevo de construcción: aviones monolíticos íntegramente metálicos. Se dejan de lado los antiguos esquemas de aviones de tela y caño o madera.

Los motores a pistón también se perfeccionaron consolidándose el uso de motores radiales o en línea frente a los antiguos motores rotativos presentes en los primeros aeroplanos usados por los ases de la Primera Guerra Mundial. Además, los nuevos combustibles de menor poder detonante evitaban la combustión prematura aumentando drásticamente la eficiencia y potencia disponible.

La mayor accesibilidad a éstas y otras innovaciones, como ser tren de aterrizaje retráctil, dispositivos que aumentan la sustentación o hélices que modifican su ángulo de ataque, otrora reservadas a aeronaves de experimentación o desarrollos de vanguardia, posibilitaron su aplicación de manera simultánea en un mismo avión. Es así que estos avances pasaron a estar presentes en aeronaves fabricadas en serie tanto comerciales, usadas en transporte y líneas aéreas, como en cazas y bombarderos. Esto permitió a que a lo largo de la década se rompan todos los records de velocidad, altitud y permanencia.

Izquierda: Ford Trimotor apodado “ganso de lata”. Con capacidad de hasta 15 pasajeros fue introducido en 1926 y utilizado como avión de línea llegándose a construir 200 unidades. Era propulsado por 3 motores a pistón radiales. Derecha: De Havilland DH.91 Albatross. Con capacidad de hasta 30 pasajeros fue introducido en 1938. De construcción novedosa era propulsado por 4 motores Gipsy King de 12 cilindros en V invertidos.

 

No obstante, el desempeño del motor a pistón estaba limitado por las hélices. Cuando en las punteras de las palas se llega a velocidades cercanas a la del sonido la eficiencia disminuye mermando la cantidad de empuje generado. Lo mismo sucedía al ascender lo suficiente para volar en atmósfera menos densa. Si se quería aprovechar al máximo la tecnología disponible había que encontrar una manera de mejorar radicalmente el motor de pistón, o desarrollar un tipo completamente nuevo de motor.

Para superar esta limitación técnicos e ingenieros tanto alemanes como británicos ignorando totalmente unos el trabajo de otros y con la mayor reserva y hermetismo comenzaron a estudiar la posibilidad de utilizar la turbina de gas como medio de propulsión. Algo que se llamaría turborreactor o motor a reacción.

 

Principio de funcionamiento

Un turborreactor expulsa aire a gran velocidad produciendo una fuerza de reacción que será finalmente la que origine el movimiento de la aeronave. El efecto es similar al que ocurre al soltar el aire contenido en un globo o con el regador de jardín que rota al expulsar agua a elevada velocidad.

Efectos similares a lo que ocurre en un motor de reacción. El desplazamiento se produce al expulsar aire o agua a alta velocidad.

 

Esquema de funcionamiento de un turborreactor básico. El compresor es centrifugo de doble acción mientras que la turbina de flujo axial y de una sola etapa. Muchos más compactos estos motores centrífugos eran ampliamente utilizados durante los primeros años de aviones reacción.

En un motor este efecto se logra haciendo que el aire recorra 3 elementos esenciales a través de los que irá cambiando su presión y temperatura.

 

  • El compresor donde el aire por medio de un esfuerzo exterior aumenta su presión. Este elemento puede ser centrífugo como el de la imagen, compacto y utilizado en los primeros motores, o axial y de varias etapas, presentes en la mayoría de los turborreactores modernos, donde el aumento de presión se produce escalonadamente

 

  • La cámara de combustión donde el aire comprimido se mezcla con combustible introducido por inyectores. Lugo unos encendedores de chispa o bujías inician la combustión por única vez al arranque. 
  • La turbina vinculada mecánicamente al compresor donde el aire ingresa a casi 1300 °C y disminuye su presión. Esta expansión produce el trabajo externo que hace rotar al primer elemento, el compresor.

 

 

Finalmente, el aire es evacuado un poco más frio a gran velocidad.

Como podemos ver a diferencia del motor alternativo, en un turborreactor la combustión es sostenida manteniéndose constante en el tiempo por lo que se lo denomina de flujo continuo.

Esquemas de turborreactores que muestran las 2 formas de desarrollo de flujo en el compresor

 

Algo de Historia

En rigor, la turbina de gas no fue una idea desarrollada en la década de 1930. Su principio de funcionamiento se remonta a la invención de la Eolípila por parte de Herón de Alejandría alrededor del año 150 AC. Este dispositivo usaba energía de vapor dirigida a través de dos boquillas para hacer que una esfera girara rápidamente sobre su eje. Sin haber tenido aplicaciones prácticas este artefacto fue simplemente considerado una curiosidad.

 

                                           Esquema de funcionamiento de la Eolípila de Herón

La primera turbina de gas que funcionó con éxito de manera autónoma fue construida en 1903 por el ingeniero noruego Ægidius Elling. Las limitaciones en el diseño y la metalurgia impidieron que se utilice como motor. Los principales problemas fueron la seguridad, la fiabilidad, el peso y, sobre todo, la combustión continúa sostenida.

En 1929 el británico Frank Whittle cadete en la Fuerza Aérea Real británica previendo la necesidad de que un avión vuele más alto para volar más rápido, diseña un motor que puede funcionar mediante propulsión a turbina de gas. Al presentarle la idea al Ministerio del Aire británico se la rechazan asumiéndola inviable. Decepcionado y sin ayuda del gobierno Whittle patenta la idea y en 1936 funda la compañía Power Jets donde ensaya, con grandes contratiempos, motores a reacción en bancos de prueba estáticos, no llegando a obtener la necesaria combustión estable.

Mientras tanto en Alemania Hans Pabst von Ohain recién terminaba su doctorado en física y aerodinámica en la Universidad de Gotinga. Sin conocimiento del trabajo de Whittle desarrolló las bases teóricas de operación de un turborreactor para propulsar aeronaves. Esto llama la atención del constructor Ernst Heinkel bajo cuya dirección diseña y ensaya el primer prototipo de turborreactor, el HeS1, en un banco de prueba estacionario en septiembre de 1937. Si bien nunca tuvo la intención de ser un diseño para propulsar una aeronave, el éxito de la prueba demostró que el concepto de von Ohain era viable. Esto impulsó a continuar su desarrollo.

 

De izquerda a derecha Frank Whittle, Ernst Heinkel y Hans Pabst von Ohain

A principios de 1939 logran dar con un diseño adecuado para la aeronáutica, el HeS3. Mejorado y más simple funcionaba con querosene, a diferencia del HeS1 que usaba Hidrógeno gaseoso y mucho más económico que el combustible de alto octanaje utilizado por los aviones con motor a pistón. Se decidió que el ensayo se haga en vuelo para lo que utilizaron el bombardero en picado Heinkel He-118. Las pruebas se llevaron a cabo en extremo secreto, despegando y aterrizando con propulsión de hélice, y solo volando temprano en la mañana.

Finalmente se decidió pasar directamente a las pruebas de vuelo completas. El 27 de agosto de 1939, 5 días antes de que Hitler invadiera Polonia, en el aeródromo Marienehe de Rostock el prototipo Heinkel He-178 se convirtió en el primer avión a reacción del mundo. Produciendo 450 kg. de empuje el motor llevó a la aeronave a velocidades de 600 km/h, pero quemaba combustible a una velocidad tan alta que sólo podía permanecen en el aire durante 10 minutos. El piloto de prueba, sintiéndose maravillado ante la suavidad del manejo, comunicó por radio que el avión no tenía vibraciones como un motor a pistón. En noviembre se demostró la aeronave a los funcionarios del Ministerio de Aviación del Reichstag con la esperanza de recibir fondos para el desarrollo de un motor más grande, pero no hubo respuesta alguna.

Presionados por la indiferencia mostrada por el Ministerio de Aviación del Reichstag comenzaron a construir el Heinkel He-280. El 30 de marzo de 1941 despega exitosamente el tercer avión a reacción del mundo siendo el primero diseñado como caza de combate. Evolucionado del exitoso HeS3 era propulsado por 2 motores de 600 kg. de empuje, instalados en góndolas alares. Este interesante avión mostraba desempeños totalmente respetables, alcanzando 650 km/h (unos 150 km/h más rápido que la mayoría de aviones de combate existentes en el mundo) y una excelente maniobrabilidad. Incorporaba, además el primer asiento eyectable jamás realizado. No obstante estas ventajas, los responsables de la Luftwaffe, convencidos de que los caza a pistón alemanes eran superiores a los del enemigo, no veían necesario desperdiciar esfuerzos en programas tan revolucionarios. Todo el programa fue llevado adelante con poca convicción siendo prácticamente abandonado en 1943. Solo se construyeron 9 aviones y ninguno alcanzó el estado operativo.

Izquierda: Heinkel He-178 el primer avión a reacción propulsado por el motor diseñado por Hans von Ohain. Tenía 7,5 m. de longitud y 7,2 m. de envergadura. Derecha: Heinkel He-280 el tercer avión a reacción propulsado por 2 motores HeS8 evolución del exitoso HeS3. Tenía 10,4 m. de longitud y 12,2 m. de envergadura.

Tras el estallido de la guerra el Ministerio del Aire británico entiende necesario producir aeronaves a reacción. A través del fabricante Gloster se contrató a la compañía de Whittle para motorizar el avión experimental Gloster E.28/39. El nuevo motor Power Jets Whittle W1 de 390 kg. de empuje estaba listo para abril de 1941. Despegando por primera vez el 15 de mayo de 1941 desde el aeropuerto de Cranwell, el Gloster E.28/39 se convirtió en el cuarto avión a reacción del mundo en conquistar los cielos. En base a este proyecto Gloster produciría en 1943 el emblemático Meteor, único avión a reacción aliado que logró operaciones de combate durante la Segunda Guerra Mundial. Finalmente, y luego de luchar 12 años con la burocracia y el desinterés, la apremiante necesidad de desarrollo bélico reivindicó a Sir Frank Whittle.

Izquierda: Gloster E.28/3 el cuarto avión a reacción propulsado por un motor Power Jets Whittle W2. Tenía 7,7 m. de longitud y 8,8 m. de envergadura. Derecha: Messerschmitt Me-262 apodado Golondrina o Petrel según la versión de caza fue el quinto avión a reacción y el primer caza a reacción operativo de la historia. Propulsado por 2 motores Jumo 004 tenía 10,6 m. de longitud y 12,6 m. de envergadura.

 

Finalmente, en Alemania, la Luftwaffe, en una combinación de factores técnicos y políticos, dejaría de lado los proyectos de Heinkel y se decantaría por el Messerschmitt Me-262, que pasaría a ser el primer caza a reacción operativo. Su vuelo inaugural fue el 18 de julio de 1942 siendo el avión convencional más rápido en el frente de batalla. Propulsado por 2 motores Jumo 004 de compresor axial de etapas múltiples en lugar de los compresores centrífugos utilizados por Whittle y von Ohain. Este tipo de compresor dominó el posterior desarrollo de los motores a reacción. La producción en masa no comenzó hasta principios de 1944, una decisión tomada demasiado tarde que resultó decisiva sobre el resultado de la guerra.

Posguerra

El gran avance obtenido por los alemanes fue botín de guerra para las potencias vencedoras. Principalmente por parte de Estados Unidos bajo la operación Paperclip/Overcast realizada por el Servicio de Inteligencia para extraer de Alemania científicos nazis especializados en tecnologías sensibles como cohetes, armas químicas, electrónica y aeronáutica. Algunas de estas figuras claves fueron el experto en cohetería Wernher von Braun y el ya citado Hans von Ohain.

Los soviéticos también se harían de algunas personas claves, pero principalmente trabajarían con aeronaves capturadas mediante ingeniería inversa. En este punto los diseños británicos divergen frente al resto de los aliados siguiendo su propia línea ya establecida, paralela a los desarrollos germánicos.

Los primeros aviones turborreactores producidos por los aliados, todos ellos cazabombarderos. Izquierda: el estadounidense Bell P-59 “Airacomet”. Derecha: el soviético Mig-9 “Fargo”

 

Nuestro país también fue partícipe en esta carrera de los reactores. En junio de 1943 el presidente General Pedro Pablo Ramírez dispone que la Fábrica Militar de Aviones (FMA hoy FAdEA) inaugurada en 1927 con sede en la ciudad de Córdoba pase a llamarse Instituto Aerotécnico. Bajo la dirección del Mayor ingeniero Juan Ignacio San Martín y a la vanguardia mundial comienza una de las etapas más importantes en el desarrollo industrial aeronáutico único en Latino América. El Instituto se erige como asesor de tecnología aeronáutica y el Estado es quien aporta las líneas directrices.

En 1946 y tras la liberación de Francia, acusado de colaboración con el régimen nazi, se traslada a Argentina el constructor de aeronaves francés Émile Dewoitine. Invitado por el ingeniero Ambrosio Luis Taravella es el primer europeo contratado por la FMA. Integró junto a un equipo de ingenieros y diseñadores argentinos un conjunto de proyectos que culminan con el concepto del IAe 27 Pulqui I (“Flecha” en idioma mapuche). Diseñado como caza interceptor fue el primer aparato a reacción construido en Argentina y en Latino América transformándose en el quinto país a nivel mundial en poseer un avión a reacción de construcción nacional. En 1947 el prototipo estaba terminado realizando la prueba en vuelo el 9 de agosto de ese año.

Ese mismo año, llega a Buenos Aires el ingeniero aeroespacial Kurt Tank aceptando un ofrecimiento del gobierno argentino de instalarse en el país.  El profesor, antiguo director de la constructora Focke Wulf en Bremen, conocía los antecedentes de la FMA desde la época en que la empresa le concedió la licencia del biplano Fw 44. Tank y su equipo, un grupo de 20 ingenieros germanos, arriban a Córdoba abocándose inmediatamente en la construcción de un caza a reacción de avanzada.

Aprovechando las patentes recibidas de Inglaterra de los motores Rolls Royce se producen: izquierda: el IAe 27 Pulqui I, propulsado por el turborreactor Derwent V el mismo motor que utilizaba el Gloster Meteor y derecha: el IAe 33 Pulqui II. propulsado por el turborreactor Nene II el mismo motor que utilizaba el Mig-15 entre muchos otros.

 

Trabajando bajo la dirección de Kurt Tank el IAe 33 Pulqui II, inicia en 1947 como un anteproyecto para una re-motorización del Pulqui I. Se utilizaron muchos de los elementos del nunca construido caza alemán de segunda generación Ta-183 Huckebein, como ala en flecha y cola en T, diseñado por Tank cuando trabajaba en la Focke Wulf. El Pulqui II realizó el primer vuelo el 27 de junio de 1950. Alcanzado una velocidad de 1.100 km/h, estaba a la misma altura que un Mig-15 soviético o un F-86 Sabre estadounidense, lo más moderno del mundo en ese momento. Diseñado como un sucesor de los Gloster Meteor en servicio de la Fuerza Aérea, se produjeron cinco prototipos. Hacia mediados de 1959 estaba listo para su producción. Pero, tras una década de trabajos, lo que había sido un modelo novedoso y vanguardista empezaba a ponerse viejo frente a los aviones supersónicos disponibles a esas alturas. Finalmente las Fuera Aérea decide cancelar la compra e importar los aviones necesarios.

Junto a su equipo Kurt Tank continuó diseñando aeronaves como el bimotor multipropósito IAe 35 Huanquero y el transporte pentaturbina IAe 36 Cóndor. Finalmente, tras la Revolución Libertadora y en vistas al cada vez menos interés por parte de las autoridades en estos proyectos, abandonó el país estableciéndose en la India. Allí trabajó en la industria aeronáutica donde pudo continuar con sus desarrollos. En la actualidad los prototipos de Pulqui I y II descansan en el Museo Nacional de Aeronáutica, en Morón, provincia de Buenos Aires.

Impulsado por ambiciones primeramente bélicas, la producción de un turborreactor funcional marca un hecho fundamental para el posterior desarrollo tecnológico humano. Su creación permitió a la aeronáutica terminar de conquistar el cielo y ¿por qué no? el espacio interplanetario.

 

Autor

Gabriel Ferrario. Ingeniero Aeronáutico por la Universidad de Córdoba.

Fuentes

  • Historia de la Aviación, Giorgio Apostolo. Editorial Viscontea, 1981.
  • Fábrica Militar de Aviones, Crónicas y Testimonios. Ángel César Arreguez. Ministerio de Ciencia y Tecnología, Gobierno de la Provincia de Córdoba, 2008.
  • The Jet Engine. Rolls Royce, 1996.
  • Engineers, From the Great Pyramids to the Pioneers of Space Travel. DK Illustrated Edition, 2015.
  • Aviation Maintenance Technician Handbook (Powerplant). Federal Aviation Administration, 2012.