jueves, 17 de diciembre de 2015

Como si un ángel te empujara: inicios de la propulsión a chorro (parte I)


Los ingenieros y los estrategas militares alemanes se dieron cuenta bien pronto que para poder obtener la superioridad aérea había que volar más rápido que nadie. Pero para poder volar rápido se necesitaba subir muy alto. Allí arriba, donde el aire se enrarecía, donde la "fineza" de la atmósfera era casi imperceptible es donde un avión podría avanzar mucho más deprisa. Solo existía un pequeño problema... las hélices no podrían propulsar ningún avión a esas alturas.

Después de su derrota en la I GM, los alemanes fueron humillados por los vencedores. Además de las Reparaciones de Guerra, los vencedores obligaron a los vencidos a firmar un tratado super-restrictivo por el cual se comprometían a no desarrollar armamento ofensivo y mucho menos aviación militar. Pero leído con detenimiento el tratado de Versalles de 1919 (entró en vigor en 1920) tenía sus resquicios, pues entre otras muchas cosas nunca se mencionó nada acerca de la propulsión a chorro. Cualquier investigación y desarrollo en este sentido, en puridad, no violaba el tratado. Cohetes, misiles y aviación a reacción estaban pues "legalmente" dentro de las armas que podían construirse. ¡Incluso en aquellos años y después de más de deis meses de laborioso trabajo, los consejeros que redactaron el tratado debieron de ser muy cortos de vista científicamente hablando! ...o quizás subestimaron a la nación (por aquel entonces) más tecnológicamente avanzada y culta del mundo.


Los orígenes de la reacción

Existe una teoría antropológica, con la que estoy muy de acuerdo y que ya he comentado en este Blog, que viene a decir algo así como: cuando con el paso del tiempo, la tecnología y la técnica dan lugar a que se produzca un nuevo invento o descubrimiento, este se torna inevitable. Esto es precisamente lo ocurrido con la propulsión a chorro, también llamada reacción. Este modo de propulsión (si dejamos de lado los motores cohete) se remontan a principios del siglo XX. Por aquel entonces se concibieron los denominados termoreactores. Este era un intento primitivo y tosco de construir un motor a reacción, en el cual un motor de combustión interna común proveía de giro a un compresor para hacer funcionar la cámara de combustión y producir empuje. Se sabe de cuatro aviones que han utilizado esta motorización, el biplano Coandă-1910 y el Caproni Campini CC.2 usaban la propulsión del solo termorreactor pero el Mikoyan-Gurevich I-250 y el Sukhoi Su-5 la combinaban con el funcionamiento de una hélice convencional.

El biplano Coandă-1910 fue el primer avión en montar este tipo de motor.
Esquema básico de un termorreactor: un motor de combustión interna que se encarga de mover una turbina 

La necesidad ayuda a la investigación



Con el ascenso del partido nacional-socialista los negros nubarrones de la guerra se cernían sobre Europa. La maquinaria de guerra nazi estaba dispuesta a invertir lo que fuera necesario en nuevas tecnologías para poder crear los aviones más rápidos que el mundo jamás haya visto. Las hélices no bastaban y era un gran problema porque no existía ninguna alternativa viable. La necesidad de una nueva planta motríz llevó a una carrera vertiginosa que implicaba lo que hoy llamamos investigación, diseño y desarrollo. La solución vendría de la mano de Hans von Ohain, un brillante joven universitario que tenía solo 21 años cuando concibió por primera vez el motor a reacción mientras cursaba estudios en de postgrado en Alemania. En 1935 obtuvo su doctorado en aerodinámica y física por la Universidad de Gotinga. En aquellos días concibió "un motor que no requeriría un grupo propulsor" y tras obtener su título en 1935 se convirtió inmediatamente en asistente junior de Robert Wichard Pohl (en aquel momento director del Instituto de Física de la Universidad). 

A través de una serie de contactos Hans conoció a Heinkel, el cual siempre estuvo muy interesado en introducir elementos novedosos en sus diseños. Heinkel pronto reconoció el potencial del nuevo motor y se decidió a introducirlo en un nuevo modelo que estaba empezando a diseñar. En 1938, el Ministerio del Aire del Reich (en alemán Reichsluftfahrtministerium, abreviado RLM) hizo llegar a los científicos los requisitos del tipo de avión que necesitaban para lograr la superioridad aérea: un monoplaza monomotor de propulsión a reacción capaz de volar a más de 600 km/h. Los científicos comenzaron su trabajo y el resultado fue el He178. El Führer presenció las pruebas del Heinkel 178 y paradójicamente no le dio gran importancia a ese "avioncito sin hélice", pero los verdaderos cerebros del Reich pronto se dieron cuenta de la magnitud de tal logro.

Lo que pensaban los norteamericanos

En 1938, en los Estados Unidos ya sabían que los británicos había llegado independientemente a las mismas conclusiones que los alemanes. Un motor a reacción era técnicamente posible. Gracias a Frank Whittle, que logró convencer al gobierno de la viabilidad de su motor a reacción, los británicos entraban de lleno en la carrera por obtener altas prestaciones en sus aviones. Norteamérica estaba muy retrasada, pero el zorro de Churchill les hizo un regalo muy valioso a los Yankees con la esperanza de que estos les devolvieran algún día otro favor (apoyarlos en una posible guerra contra Alemania). Churchill entregó en secreto materiales y planos de su motor W1 al gobierno norteamericano. Estos planos fueron inmediatamente enviados a Massachusetts donde los ingenieros de la General Electric "fusilaron" los planos británicos para crear su propio modelo, el General Electric J31. Los norteamericanos encargaron la construcción de un avión a la casa Bell para probar el nuevo motor. Fue un auténtico fiasco, pues el avión con el nuevo motor a reacción no pudo superar en prestaciones a los mejores cazas con motor de pistones de la época. Simplemente se había alcanzado ese punto tecnológico en el que los aviones de pistón habían llegado a dar el máximo de sus posibilidades. Las alternativas tecnológicas incipientes eran todas inferiores en prestaciones ya que todavía se encontraban en un estado cuasi-experimental.

Entonces se formó un comité de expertos para asesorar al gobierno sobre cuál iba a ser la planta motriz del futuro que iba a dominar los mercados. El informe final de 1941 venía avalado por genios de la aeronáutica, como los profesores Von Karman, Millikan, Kettering y Mason entre otros. Dicho informe decía lo siguiente: "Las turbinas de gas (motores de reacción) pueden difícilmente ser considerados como una planta motriz viable en aviación. Principalmente porque no pueden cumplir con los estrictos requisitos impuestos por la aeronáutica... La actual planta motriz de los aviones, basada en motores de combustión interna pesa unos 0,5 kg por cada CV generado y aproximarse a tales prestaciones con un motor de reacción parece de todo punto fuera de las posibilidades reales con los materiales existentes." El informe no era incorrecto... en Norteamérica. Lo que los Yankees no sabían era que Alemania llevaba muchos años de adelanto en el campo de materiales, diseño, estructuras, pruebas y ensayos técnicos, etc, etc. En 1939 ya había volado el Heinkel Alemán y ahora los alemanes querían ir un paso más allá. Se habían propuesto crear el mejor, el más avanzado y el más rápido caza del mundo ...y lo lograron. Con el binomio reacción/ala en flecha este aparato podía dejar atrás a cualquier avión entonces producido. 

Diferencias y similitudes entre aliados y alemanes

Aquí se pueden ver las similitudes entre el motor de la General Electric (copia del motor británico de Frank Whittle) y el desarrollo llevado a cabo por los ingenieros alemanes con el motor del Me 262. El principio de operación de todo motor a reacción es el mismo. Se toma aire, se comprime lo más posible, se inyecta combustible junto con el aire a presión proveniente del compresor y se aplica a toda la mezcla una chispa para iniciar la combustión. El aire producto en dicha combustión sale muy acelerado (y muy caliente) de la cámara de combustión hacia atrás. Este aire impacta contra una turbina, la cual a su vez utiliza parte de la energía para mover el compresor de entrada.  La reacción es un proceso físico interno y no es el resultado del aire de la tobera de salida "empujando" contra la atmósfera.

Motor norteamericano General Electric (copia del británico) mostrando las múltiples cámaras de combustión al rededor del compresor dentrífugo
Motor de frank Whittle mostrando los típicos contenedores que eran las cámaras de combustión de flujo inverso (el aire cambiaba de dirección para luego proseguir hacia atrás)
Como se puede apreciar, este motor es muy corto. Esto es debido a que en su diseño se empleó un compresor llamado centrífugo. En la imagen inferior se puede ver un corte de este tipo de motor. El aire entra aspirado por el compresor, pero en vez de ir hacia atrás, el aire cambia de dirección 90º pra ser introducido en pequeñas cámaras de combustión independientes. Al final de las cámaras de combustión el aire impacta en el primer escalón de la turbina.


La ventaja de un tamaño compacto queda descompensada con el hecho de que el aire pierde energía cuando cambia de dirección. El empuje final podría no ser tan alto como lo que inicialmente se deseaba. En ese caso los diseñadores debían de utilizar revoluciones más altas (más ingestión de aire) y una mayor temperatura en las cámaras de combustión. En ambos casos dos candidatos perfectos para que surjan fallos. Las revoluciones altas pueden destrozar el motor si se sobrepasa el límite de fuerza centrípeta capaz de soportar el eje. Las altas temperaturas pueden literalmente fundir el material del que se producen los álabes de la turbina.

Por contra los alemanes, que en principio habían desarrollado un motor similar al de los anglo-norteamericanos, se decidieron por deshacerse del compresor centrífugo y adoptar un compresor axial. Esto daría como resultado un motor mucho más largo, tal como se puede ver en las ilustraciones inferiores, pero por contra el motor resultaría ser más eficiente. Al final, el incremento de peso se vería compensado por una mayor potencia. 


En un compresor axial el aire pasa directamente desde adelante hacia atrás sin cambiar de dirección. El aire fluye a través del interior del motor en el sentido de su eje (comprimiéndose cada vez más), de ahí viene el nombre de "compresor axial". Lo que se suele hacer es añadir etapas de compresión para que cuando el aire llegue a la cámara de combustión, este se encuentre convenientemente comprimido. Al añadir etapas de compresión el motor inevitablemente se alarga. La experiencia y la investigación posterior dio la razón a los alemanes, aunque en algunos casos donde la falta de espacio era el mayor problema, la adopción de compresores axiales con cámaras de combustión de flujo inverso eran una solución aceptable.



La comparativa de las características entre ambos modelos

Motor anglo-norteamericano
Peso: 700 lb (320 kg)
Potencia máxima: 850 lbf (3,8 kN) a 16.500 rpm
Consumo específico: 1.376 lb/(lbf·h) (39,0 g/(kN·s))
Relación peso/potencia: 1.214:1

Motor alemán
Peso: 719 kg (1.585 lb)
Potencia máxima: 8,8 kN (1.980 lbf) a 8.700 rpm
Consumo específico: 1.39 N/(N·hr)
Relación peso/potencia: 1.25 (12.2 N/kg)

Ambos motores utilizaban un tipo de combustible similar (keroseno) y eran movidos por un conjunto compresor-turbina enlazados por un solo eje. En inglés se denomina single spool a esta combinación.
Los enemigos naturales de cualquier motor a reacción son principalmente dos: la temperatura y la velocidad de funcionamiento (revoluciones). Existe una relación exponencial entre la vida útil de las piezas de un motor y el incremento de la temperatura. En el diagrama inferior se puede ver que la vida útil de las piezas de un motor decrecen muy rápidamente incluso con un pequeño incremento en la temperatura.
En los aviones comerciales modernos se limitan ambos parámetros. En el diagrama inferior se puede ver como los motores son "capados" (flat rated) para que aún pudiendo dar más revoluciones (mayor potencia), estas no se produzcan. El aumento de revoluciones incontrolado puede destruir el motor y un régimen de revoluciones altas continuo da lugar a un aumento de averías y de mantenimiento en general.
Para poder controlara estos parámetros tan importantes, los pilotos cuentan entre los instrumentos de motor con indicaciones sobre las revoluciones (RPM o EPR) y la temperatura (ITT normalmente o a veces EGT). Para ver los significados de estos términos y entender los principios fundamentales de operación de estos motores, invito al lector a leer los posts dedicados a ellos.


Los motores Jumo 004 del Me 262 eran los mismos que impulsaban al Arado. Estos motores daban más potencia que sus contrarios anglo-norteamericanos. Ambos eran muy poco fiables en términos de mantenimiento (había que emplear muchas horas/hombre por hora de vuelo), pero por contra los ingeniosos alemanes se las arreglaron para poder efectuar estas prácticas de mantenimiento a pie de pista y en ligares poco preparados sin contar con herramientas especiales. Todo un logro que tardó en llegar en la parte aliada.

No contentos con ello, los alemanes se las ingeniaron también para poder salvaguardar la producción de estos novedosos aviones a reacción de los intensos bombardeos estratégicos que pretendían precisamente impedir la producción industrial alemana. Es de destacar las fábricas subterráneas que se construyeron bajo una montaña para ensamblar al Me 262, y la pista de despegue que se tuvo que construir en su cima. Existe una página Web que describe todo esto y la que se proyectó y comenzó a construir cerca de Múnich, igualmente de proporciones gigantescas. Sobre la fábrica de la montaña, que tenía el nombre de REIMAHG, tenéis información en la extraordinaria web de THIRD REICH IN RUINS. A partir de 1947, los soviéticos volaron los búnkeres de hormigón y edificios de montaje del Me 262, así como las entradas a la mayoría de los túneles, incluyendo la destrucción de la pista de hormigón en la cima de la colina. Sin embargo, los edificios de hormigón armado en muchos casos resistieron las explosiones y sólo se derrumbaron los techos. REIMAHG-Kahla sigue siendo hoy en día uno de los más extensos lugares del Tercer Reich en ruinas cuyos edificios, bunker y otras edificaciones pueden ser visitadas por el público.


Operación LUSTY (LUftwaffe Secret TechnologY)

Una vez vencido el ejercito aleman, era prioritario para los norteamericanos hacerse con toda esta tecnología tan avanzada. En realidad el verdadero enemigo era la Unión Soviética. La operación militar desarrollada a finales de la Segunda Guerra Mundial con el propósito de recolectar información y material sobre el armamento secreto de la recién derrotada Alemania Nazi se llamó Operación LSTY. Bajo las órdenes del coronel Harold E. Watson del ejército de los Estados Unidos, un grupo de militares muy especializados (Los llamados "Watson wizzards" rastreaban Alemania para obtener información técnica. El General Watson y sus chicos se recorrieron Alemania a placer.) recobraron material de guerra y lo centralizaron en Cherburgo - Francia donde fue embarcado en el portaaviones de escolta HMS Reaper. Dentro de este material cabe destacar el caza nocturno Heinkel He 219, el caza a reacción Messerschmitt Me 262, el caza a reacción desechable de un solo motor Heinkel He 162 Volksjägerde y el caza cohete Messerschmitt Me 163 Komet.

La golondrina alemana

El nuevo avión reactor de la Luftwaffe tenía cuerpo de tiburón. El Me 262 fue revolucionario en muchos aspectos, uno de ellos fue la adopción del ala en flecha positiva. El binomio ala en flecha y propulsión a reacción le conferían al 626 una velocidad punta de casi 850 km/h. El caza además fue fue fuertemente artillado con cuatro cañones de 30 mm MK 108. Otro de los aspectos relevantes de este avión fue su mantenimiento, pensado para ser realizado en condiciones muy precarias, a pie de pista en escenarios de combate. Los motores de este avión podían ser reparados sin necesidad de un equipo especial, el sistema de combustible eran muy accesibles a través de los paneles situados en el fuselaje. El 262 era una combinación perfecta de sofisticación, tecnología punta y diseño simple. Por este motivo el 262 se puede decir que influyó en el diseño de muchos aviones de la posguerra como el North American F-86 Sabre y el Boeing B-47. (Al concluir la guerra se tuvo acceso a los datos referentes a los progresos realizados en Alemania en el campo de las alas en flecha, North American llegó a un acuerdo con la USAAF para rediseñar el XP-86 de manera que incorporase alas y empenajes caudales aflechados).

Esta tendencia del mantenimiento sencillo y el fácil acceso se ha extendido en el tiempo, sobre todo en los aviones norteamericanos. Yo trabajé con el Mirage F-1 francés durante 6 años cuando estuve destinado en el Ala Mixta 46 de Gando. Recuerdo que la mayoría del personal de mantenimiento se quejaba precisamente de lo complejo que era el acceso a ciertos elementos clave para la reparación del motor. Años más tarde cuando llegué destinado a la Base Aérea de Zaragoza (Ala 15) todo eran alabanzas a la facilidad de acceso del F-18. Se podía bajar un motor y sustituirlo por otro en apenas una hora si se contaba con los elementos necesarios (la famosa Dolly) y el personal cualificado. 

Cuando la Luftwaffe estaba casi derrotada solo quedaban entre sus filas algunos "Experten". Estos pilotos eran ases con el colmillo retorcido capaces de hacer volar una escoba. Tenían gran cantidad de horas de vuelo y mucha experiencia en combate real. Eran capaces de calcular el disparo de sus cañones con la deflexión estimada para hacer que los proyectiles impactaran en los aviones enemigos incluso en maniobras evasivas de gran velocidad. El verano de 1944 estos pilotos estrenan sus Me 262. Uno de los que pudieron probarlo en profundidad fue el As alemán Galland, a la sazón Inspector General de caza. Galland después de volar por primera vez el aparato dijo entusiasmado: "Esto no es un paso adelante, es un salto. Es como si un ángel te empujara". Se ha escrito mucho sobre lña gran controversia planteada por el retraso de este avión y de que si hubiese llegado un poco antes (...y al mamón del Hitler no le hubiera dado por reconvertirlo en bombardero), hubiera podido cambiar el curso de la guerra. Personalmente no lo creo. Alemania estaba ya derrotada y un solo avión no hace la diferencia. Lo que si está claro es que los aliados no hubieran podido bombardear Alemania a placer y quizás la guerra hubiera sido más larga de lo que fue, pero la capacidad industrial de los norteamericanos no podía ser parada de ninguna manera. 

La torpeza de Hitler y de su "establo" mayor, fue como decimos, la de querer reconvertir un autentico caza en un mal bombardero. El peso adicional de las bombas y las modificaciones necesarias obligaron a reforzar el tren de aterrizaje (que de por sí ya era muy endeble, teniendo que reemplazar gran cantidad de componentes cada 5 o 6 aterrizajes). La instalación de depósitos de combustible supletorios también introdujo muchos problemas de estabilidad, ya que estos alteraban el centro de gravedad del aparato haciendo más inestable. El combustible utilizado por estos aparatos era difícil de conseguir, pues se trataba de un producto derivado y refinado que escaseaba en tal medida que daba lugar a hechos paradójicos, como por ejemplo que el carreteo hasta la cabecera de despegue se hiciera a base de tirar de los Me 262 por yuntas de bueyes para no consumir el preciado combustible.  Los motores Junkers Jumo 004 B-1 requerían reparaciones después de 10 horas de vuelo. Con todo y con eso, la golondrina (en alemán Schwalbe) inició la era de los Jets y por ello es considerado uno de los aviones clave de la historia de la aviación.

Se dice que Howard Hughes poseía uno de los pocos Me 626 restaurados capaces de volar que los "Watson wizzards" trajeron a los USA después de la guerra. A finales de los años cuarenta el multimillonario quiso hacer una competición entre el modelo norteamericano, el famoso P-80A y su flamante Me 262. Las autoridades norteamericanas se negaron presumiendo que el P-80A podría salir mal parado de la comparativa. 

5 comentarios:

  1. Manolo, muy interesante la historia de las turbinas.
    ¡Muchas gracias!
    Javier

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Muchas gracias a ti por leerme Javier, un cordial saludo.
      Manolo

      Eliminar
    2. Hola Manolo:

      Me parece muy interesante recalcar lo que comentas sobre que este tipo de motores NO se “apoyan” contra la atmósfera, sino que es el resultado de principio de acción y reacción que enunció Newton.

      Como curiosidad, decir que en 1920, un periodista del The New York Times, trató de ridiculizar al Dr. Robert H. Goddard, pionero de los cohetes espaciales, ya que el Dr. Goddard afirmaba que los cohetes permitirían viajar en el vacío del espacio.

      El “experto” periodista, en un editorial, afirmó que era necesario TENER ALGO MEJOR QUE EL VACÍO CONTRA EL CUAL REACCIONAR, y que el Dr. Goddard parecía carecer de los conocimientos que se impartían diariamente en un instituto de secundaria.

      Sólo el 17 de julio de 1969, cuando el Apolo 11 estaba rumbo a la Luna, el The New York Times publicó una escueta nota corrigiendo la estupidez de su periodista 47 años atrás, de la siguiente forma:

      “Posteriores investigaciones y experimentación han confirmado lo que Isaac Newton descubrió en el siglo XVII y está hoy definitivamente establecido, que un cohete puede funcionar en el vacío igual que en la atmósfera. The Times lamenta su error”

      Un cordial saludo
      Eliseo

      Eliminar
    3. 47 años no son nada comparados con los 350 y 400 años que tardó la iglesia en pedir perdón por Galileo y Giordano Bruno... lo que demuestra que la estupidez no tiene límites temporales. Saludos

      Eliminar
    4. Hola a los dos y muchas gracias por vuestros comentarios! Si, efectivamente, creo que lo de Galileo fue mucho, pero también es cierto que gente, que se supone debe de estar bien informada, haga ese tipo de afirmaciones tan desafortunados. Precisamente ese tipo de comentarios procedentes de un medio como el NYT pueden influir a muchos y distorsionar las cosas de una manera dificil de enderezar. De hecho mucha gente hoy en día sigue pensando de forma erronea por ese tipo de afirmaciones.

      hoy en día sigue sucediendo en muchos medios de comunicación (...y la TV es de los peores medios).

      Un cordial saludo
      Manolo

      Eliminar