La tecnología de la propulsión jet

Introducción a la propulsión jet

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El desarrollo técnico más significativo durante la Segunda Guerra Mundial fue la aparición de aviones propulsados ​​por jet, propulsados ​​por turbinas de gas. En cierto sentido, toda la propulsión de un avión puede clasificarse como "propulsión a chorro", ya que una hélice convencional produce un chorro de aire que se ha acelerado, y el impulso de propulsión es igual al incremento en el impulso de este chorro de aire; pero el término se limita comúnmente al caso en que el chorro de aire se acelera dentro de la unidad del motor. El incentivo para desarrollar este sistema surgió de la eficiencia reducida de las hélices convencionales a altas velocidades: cuando la velocidad de la punta se aproxima a la velocidad sónica, la resistencia aumenta bruscamente debido a la formación de ondas de choque. Este fenómeno limitó efectivamente las aeronaves impulsadas por hélices a velocidades sustancialmente menores que la velocidad del sonido, incluso en una inmersión.

En la práctica, un chorro de propulsión se puede producir de dos maneras: desde un motor de cohete o una turbina de gas. Los motores de cohetes implican inevitablemente un alto consumo de combustible efectivo, porque el oxígeno para la combustión tiene que ser transportado de alguna forma, así como el combustible mismo; en consecuencia, los aviones propulsados ​​por cohetes se han limitado a roles muy específicos y poco ortodoxos. El ejemplo más notable fue el caza interceptor alemán Messerschmitt Me 163 desarrollado en 1944 para contrarrestar las formaciones de bombarderos estadounidenses. Otras aplicaciones para la potencia del cohete han sido principalmente para impulsar el despegue de aeronaves de propulsión convencional, o para un impulso complementario de corta duración a grandes altitudes.

El motor de turbina de gas, en el que el aire que pasa a través del motor se comprime, calienta y expulsa continuamente a través de una turbina que acciona el compresor, se postuló como una alternativa deseable a un motor alternativo poco después de la invención de la turbina de vapor, pero es práctico El desarrollo aguardaba la disponibilidad de materiales adecuados capaces de soportar grandes tensiones a altas temperaturas, y el incentivo de un requisito percibido para el vuelo a alta velocidad. Bajo este estímulo, el desarrollo comenzó casi simultáneamente alrededor de 1936 en varios países. Los nombres de Frank Whittle en Gran Bretaña y Hans von Ohain en Alemania siempre serán preeminentes como los pioneros más exitosos en el campo, pero muchos otros estuvieron muy cerca. Von Ohain fue el primero en lograr un motor de vuelo, y esto impulsó al Heinkel He 178 en su primer vuelo en agosto de 1939. Whittle lo siguió en mayo de 1941, y sus motores desarrollados en Gran Bretaña también se construyeron en los Estados Unidos y sentaron las bases del industria de motores de turbina de gas en esos países. Pero el primer avión jet de producción fue el alemán Messerschmitt Me 262, que funcionaba con la turbina de gas Jumo 004 desarrollada por un equipo de la compañía Junkers. El Jumo 004 tenía un compresor de flujo axial de etapas múltiples en lugar de los compresores centrífugos utilizados por Whittle y von Ohain; Este tipo de compresor ha dominado el posterior desarrollo de la turbina de gas.
El Me 262 era capaz de alcanzar una velocidad máxima de alrededor de 870 km / h (525 mph) y podía operar a altitudes más altas (hasta 12,000 m (40,000 pies)) que sus contemporáneos con motor de pistón; y el bombardero Arado Ar 234 de cuatro motores con un rendimiento similar era potencialmente casi imposible de interceptar, pero nunca entró en servicio a gran escala antes del final de la guerra.



Después de 1945, las principales fuerzas aéreas del mundo adoptaron rápidamente la turbina de gas para nuevos diseños de cazas y bombarderos. El problema del arrastre excesivo causado por las ondas de choque a velocidades casi sónicas que anteriormente habían afectado las palas de la hélice ahora se repitió en las alas del avión. En particular, hubo dificultades con el control, porque la desviación de una superficie de control tuvo efectos inesperados en el flujo de aire sobre el ala. La combinación de mayores problemas de arrastre y control dio lugar al concepto erróneo popular de una "barrera de sonido", evitando el vuelo a velocidades más altas. En este clima, el avión experimental estadounidense Bell XS-1 propulsado por cohete realizó el primer vuelo a una velocidad mayor que la del sonido el 14 de octubre de 1947, pero esto fue realmente una especie de máquina anormal. La solución real se encontró en la adopción de alas barridas y en programas sustanciales de investigación teórica y experimental para comprender los fenómenos detallados del flujo de aire transónico. El primer avión exitoso de alas extendidas propulsado por una turbina de gas fue el F-86 Sabre de América del Norte, un caza de un solo asiento volado por primera vez en octubre de 1947 y luego construido en grandes cantidades y en varias versiones diferentes. Un prototipo de F-86 fue volado a velocidad supersónica (en una inmersión) en abril de 1948; Las aeronaves de configuración similar se desarrollaron posteriormente en varios países.

La medida útil de la velocidad de un avión ahora se convirtió en el número de Mach: la velocidad de vuelo como proporción de la velocidad del sonido a la altitud de vuelo. A medida que se desarrollaron progresivamente los motores de mayor empuje, el F-100 norteamericano logró el Mach 1 en vuelo nivelado en 1953, el Mach-2 el Lockheed F-104 en 1958 y el Mach 3 el Lockheed A-11 en 1963.



Una amplia variedad de formas de alas ha sido empleada por estos aviones militares de alta velocidad. El arrastre de un ala a alta velocidad depende principalmente de su relación espesor / cuerda y del barrido del locus de espesor máximo; La resistencia y la rigidez del ala dependen de las mismas variables básicas, y el diseñador de la aeronave también tiene que resolver problemas prácticos como retraer el tren de aterrizaje y acomodar el combustible. Por lo tanto, el F-104 usaba un ala muy delgada sin barrido; el rayo eléctrico inglés usó un ala hacia atrás 60 °; y el Dassault Mirage usó un ala delta con el borde delantero igualmente barrido pero el borde posterior sin barrido, reduciendo así la relación espesor / cuerda al aumentar la cuerda del ala. Todos tienen un rendimiento comparable.

Estas aeronaves de alta velocidad también comparten características comunes de las superficies de control motorizadas, accionadas por presión hidráulica en respuesta a los movimientos de control del piloto, pero monitoreadas por sistemas de control electrónico para dar el movimiento apropiado para producir la respuesta deseada de la aeronave en un amplio rango de velocidades de vuelo. y altitudes. En la década de 1980, la creciente fiabilidad de la electrónica hizo posible prescindir de una conexión física entre el mecanismo de control del piloto (la tradicional 'columna de control') y los actuadores, de modo que la señalización eléctrica o incluso la señalización mediante señales de luz modulada en una fibra óptica ( coloquialmente 'fly-by-wire' o 'fly-by-light') se hizo factible. Se han realizado instalaciones experimentales en varios países, y el primer avión de producción con un sistema de control "fly-by-wire", el avión Airbus A.320, se puso en servicio en 1988.

El aumento de la velocidad de vuelo también ha requerido cambios en los materiales para la construcción del fuselaje: la fricción del aire a altas velocidades produce un calentamiento cinético de la estructura. Se han desarrollado aleaciones de aluminio de diversas formulaciones con una resistencia adecuada para velocidades de hasta aproximadamente Mach 2, pero se necesitan acero inoxidable y titanio por encima de esa velocidad.