La evolución de las aeronaves con hélice (I)

Se considera (sobre todo los norteamericanos) que el primer vuelo de una aeronave propulsada más pesada que el aire fue realizado por Orville Wright el 17 de diciembre de 1903. En la década que siguió a este evento histórico, el desarrollo de aeronaves se caracterizó por una proliferación de aparatos y engendros, concebidos principalmente por técnicos, aficionados e inventores con muy diversos grados de competencia. 

Algunos de estos aviones volaron moderadamente bien (para la época), algunos mal y otros ni tan siquiera levantaron el vuelo. Por aquel entonces, había muy poca base científica y de ingeniería como para que el diseño de una aeronave fuese eficaz. Muchas de estas aeronaves construidas durante este período fueron realizadas por personas sin conocimientos técnicos como proyectos personales a modo de hobby. La mayoría de estos aviones fueron diseñados con el simple objetivo de levantar el vuelo, y la mayoría se utilizaron para llamar la atención, para exhibirlos, volar en carreras u otros tipos de eventos espectaculares que gustaban al gran público. 

En 1914, al comienzo de la Primera Guerra Mundial, no había surgido todavía ningún tipo de configuración definitiva en las aeronaves, y la mayoría de las personas avispadas consideraban que el vuelo de estos aparatos, si es que lo hacían, era más bien una especie de curiosidad no muy diferente a lo que hacían los trapecistas en el circo. Estos puntos de vista cambiaron por completo gracias a los usos tácticos y estratégicos de los aviones en la Primera Guerra Mundial. 

La demanda por contar con una aviación de combate, junto con los logros de potencias extranjeras que pretendían constantemente contar con una superioridad aérea, dieron como resultado el desarrollo del avión de guerra. Un aparato que pasó de ser una curiosidad en 1914 a un vehículo muy útil y versátil, diseñado para cumplir funciones específicas, al final de la contienda en Noviembre de 1918.   

La evolución de los aviones propulsados ​​por hélice desde 1914 hasta el presente podríamos convenir que se divide en cinco períodos de tiempo distintos e identificables que proporcionan el marco de referencia para poder seguir dicha evolución. 

• 1914 - 1918: Exploración de nuevas tecnologías para el diseño
• 1918 - 1926: La iniciación del transporte comercial y las carreras
• 1926 - 1939: La gran revolución en el diseño
• 1939 - 1945: El refinamiento aerodinámico
• 1945 - 1980: La madurez del diseño

De 1914 a 1918

Durante el periodo de la I GM se probaron en combate multitud de aeroplanos y literalmente se construyeron y volaron cientos de prototipos. Eran otros tiempos. En aquellos días el prototipo de un avión de combate podía diseñarse, construirse y probarse en vuelo en un período de unas pocas semanas.

La diferencia con el periodo anterior a la guerra es que la cosntrucción de aeroplanos pasó de ser un enfoque esencialmente privado, algo construido en un garaje o taller, a convertirse en una incipiente industria aeronáutica que recibía grandes cantidades de dinero por parte de los gobiernos beligerantes.

Otra característica fundamental era que los principios de ingeniería se imponían en el diseño de las aeronaves. Los laboratorios gubernamentales, como el Royal Aeronautical Establishment de Inglaterra, contribuyeron en gran medida a los cimientos de la ingeniería aeronáutica. También existían laboratorios científicos y de ingeniería en Francia, Italia y Alemania; y el Comité Asesor Nacional para la Aeronáutica (NACA) se estableció en los Estados Unidos gracias a una ley del Congreso en 1915. Sin embargo, los resultados de la investigación de la NACA no comenzaron a tener un impacto significativo en el diseño de aeronaves hasta mediados o finales de la década de 1920.

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La NACA (National Advisory Committee for Aeronautics: Comité Consejero Nacional para la Aeronáutica) fue una agencia federal de Estados Unidos fundada el 3 de marzo de 1915 para emprender, fomentar, e institutionalizar las investigaciones aeronáuticas. El 1 de octubre de 1958 se disolvió la agencia, y sus recursos y personal formaron el núcleo de la recién creada NASA (National Aeronautics and Space Administration: Administración Nacional de la Aeronáutica y el Espacio).

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En contraste con las potencias europeas, Estados Unidos esencialmente no tenía fuerza aérea ni una industria aeronáutica real cuando se declaró la guerra a Alemania en abril de 1917. En consecuencia, Estados Unidos se basó casi por completo en diseños de aviones europeos que ya estaban suficientemente probados. Muchos de estos aviones fueron producidos por empresas europeas para uso de la Fuerza Expedicionaria Estadounidense, mientras que otros fueron fabricados bajo licencia en los Estados Unidos.

Se puede decir que la única contribución notable de los Estados Unidos en aquel periodo fue el entrenador Curtis JN-1 y el motor Liberty. El Curtiss JN-4 "Jenny" perteneció a una serie de biplanos biplazas de entrenamiento primario construidas por la Compañía Curtiss, Hammondsport, Nueva York, más tarde, Curtiss Aeroplane & Motor Corporation. Curtiss combinó las mejores características de los entrenadores modelo J y modelo N y comenzó a producir la serie de aviones JN o "Jenny" en 1915. El motor de aviación Liberty L-12 tenía 27 litros de cilindrada. Era un V-12 a 45° refrigerado por agua que rendía 400 CV (300 kW)

Se construyeron tipos de aeronaves de una variedad asombrosa en la búsqueda continua de mejores máquinas de combate. Se emplearon monoplanos, biplanos y triplanos en operaciones militares en varias etapas de la guerra, y se probaron varios cuatriplanos en forma de prototipo. Las alas de la mayoría de estos aviones estaban soportadas externamente por una combinación de cables y afustes, aunque algunos diseñadores desarrollaron aviones con alas en voladizo arriostradas internamente.

Quizás el ingeniero más notable de aquellos años fue el diseñador holandés Anthony H. G. Fokker, quien realizó muchos aviones de combate de ala en voladizo para la fuerza aérea alemana. Se emplearon motores con hélices instaladas de forma que pudieran tirar o empujar el fuselaje. Los bombarderos multimotor frecuentemente utilizaban motores instalados de forma que sus hélices ayudaran con el empuje y la tracción al mismo tiempo. 

El Pfalz E.1 fue un avión militar de la Primera Guerra Mundial . Junto con los monoplanos Fokker, uno de los primeros aviones de combate alemanes .

La configuración de motor tipo empujador se usó ampliamente como caza, particularmente por parte de los británicos, en las primeras etapas de la guerra. La estructura interna de la mayor parte de la aeronave consistía en un armazón de madera reforzado con alambre y cubierto externamente con tela. 

Entre 1911 y 1914, la Royal Aircraft Factory utilizó la designación FE2 (Farman Experimental 2) para tres aviones bastante diferentes que compartían solo un diseño común de biplano de empuje "Farman". El tercer tipo "FE2" fue operado como bombardero y caza diurno y nocturno por el Royal Flying Corps durante la Primera Guerra Mundial.

Foto que demuestra la posición de tiro del observador en el Royal Aircraft Factory F.E.2d. La cabina del observador estaba equipada con tres ametralladoras Lewis, una fija hacia adelante para que el piloto apuntara, una móvil hacia adelante y otra móvil hacia atrás montada en un afuste sobre el ala superior. El observador tenía que subirse en asiento para usar el arma trasera.

Algunas aeronaves empleaban una mezcla de metal y madera en su construcción, y se realizaron experimentos con aeronaves totalmente metálicas cuyas alas estaban reforzadas internamente. Dornier y Junkers en Alemania estuvieron entre los pioneros en la construcción de aviones totalmente metálicos. Sin embargo, los tipos de aleaciones disponibles en ese momento no se prestaban al peso ligero requerido en el diseño de aeronaves, y los conceptos de construcción metálica liviana y de fuselaje corrugado tendrían que esperar unos años. 

Los aviones totalmente metálicos no jugaron un papel importante en la Primera Guerra Mundial. Varios fabricantes también emplearon el uso de madera contrachapada como cubierta externa, junto con una estructura interna mínima, particularmente en el diseño del fuselaje. Este tipo de construcción, llamado monocasco.

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En este tipo de fuselaje el revestimiento es grueso y soporta la mayor parte de las cargas. Originalmente se construía en madera, aunque actualmente se construye en  aleaciones ligeras y materiales compuestos. Los fuselajes monocasco pueden estar reforzados mediante cuadernas (en lo que se conoce como fuselaje monocasco reforzado), que dan la forma al mismo. Además, como el revestimiento no soporta eficientemente los esfuerzos de compresión, se pueden añadir otros refuerzos extra. 

El fuselaje monocasco utiliza un revestimiento extremadamente grueso para soportar las cargas de pandeo. Con el paso del tiempo se demostró que era posible soportar dichas cargas con mucho menos peso utilizando un revestimiento mucho más fino y una gran cantidad de apoyos. 

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El Deperdussin Monocoque fue el ganador de la Copa Gordon-Bennett en 1912 al recorrer 200 km en 59 min 45 s. Su construcción con fuselaje monocasco le proporcionaba un diseño aerodinámicamente limpio que le permitió aumentar el récord mundial de velocidad a 210 km/h en 1913. 

Se emplearon dos tipos de motores muy diferentes en los aviones de la Primera Guerra Mundial: el motor estacionario, generalmente refrigerado por agua, y el motor rotativo (tenía el cigüeñal fijo y era el propio motor el que giraba con la hélice). Se utilizaron ampliamente motores refrigerados por agua de 4, 6, 8 y 12 cilindros. En concepto, estos motores no se diferenciaban del motor de automóvil actual; algunos de los motores en línea estaban refrigerados por aire. 

 Sopwith Pup británico con motor rotativo Le Rhône 9C. Licencia Creative Commons. Autor: Ian Kirk de Broadstone, Dorset, UK

El motor rotativo tenía cilindros dispuestos radialmente alrededor de un cigüeñal; pero a diferencia del motor radial moderno, el cigüeñal estaba fijado a la aeronave y los cilindros y el cárter, con la hélice unida, giraban a su alrededor. Este tipo de motor era relativamente liviano y se enfriaba fácilmente mediante la rotación del motor, ventajas que explicaban su amplio uso. Uno de los problemas del motor rotativo, perfeccionado en Francia, es que tenía un sistema de control primitivo y además, sufría momentos giroscópicos indeseables en la aeronave que afectaban negativamente a las características de vuelo. El motor rotativo es una curiosidad que desapareció rápidamente después del final de la Primera Guerra Mundial.

El diseño de un avión que pueda ser un gran éxito, aún hoy en día, no es una ciencia exacta. Es una combinación de factores que implica principios científicos probados, intuición ingenieril, requisitos detallados de mercado o misión, y tal vez un poco de inventiva y audacia ...y tal vez algo de suerte. El diseño de aeronaves durante la Primera Guerra Mundial fue más inventivo, intuitivo y atrevido que cualquier otra cosa. Con frecuencia, los prototipos se construían a partir de dibujos a tiza de tamaño completo colocados en el piso de la fábrica. Los principios de la aerodinámica que forman una parte tan importante del diseño de aeronaves en la actualidad fueron relativamente poco entendidos por los diseñadores de aeronaves durante la guerra. 

Una indicación del estado del arte en esta área se da en los libros de texto de Barnwell y Sayers publicados en 1917 y por Klemin en 1918. El diseño estructural era desordenado y el análisis de tensiones no se convirtió en una parte importante del proceso de diseño en muchas empresas hasta mediados de la Guerra Mundial. En un área de la ingeniería en la que la resistencia estructural, la ligereza en el peso y la eficiencia aerodinámica son tan importantes, es realmente sorprendente que se hayan podido producir varios aviones relativamente buenos en aquellos días.