La adaptación del motor a pistón de la 2GM para combate a gran altitud.
Durante la Segunda Guerra mundial se consolidó una de las reglas de oro del combate aereo establecidas en la Gran Guerra de 1914-1918: aquel avión que tiene la ventaja de la altitud, tiene la ventaja mayor en el combate.
Según avanzaba la 2ª guerra mundial, los combates aereos particularmente en el frente occidental iban subiendo de altitud. Mientras los combates de inicios de la guerra se solían mantener a 4000-5000 metros, a finales de la guerra no era extraño ver cazas evolucionando a 7000-8000 metros de altitud, donde el oxígeno escasea.
Cómo lograron los ingenieros de la 2GM que sus cazas alcanzaran esas altitudes en condiciones de combatir?....la respuesta es...gracias a los supercompresores.
En la 2GM la potencia que un motor de piston entregaba venia dada por tres factores básicos...Ratio de compresión, Revoluciones por minuto, y presion de admision. El piloto podía ejercer control sobre los dos ultimos, siendo el Ratio de compresión fijo para un modelo de motor dado.
Y bien...que es la presion de admision?. En un motor a pistón lo que haces es meter en el motor aire y combustible y quemarlos. Al quemar la mezcla se produce una expansion de gases que mueve una serie de pistones, que a su vez mueven un cigueñal ,que a su vez mueve una helice, que en el fondo es la finalidad de un motor de pistones.
Durante los primeros años de la aviacion todo se resumia a eso: aire+combustible+combustion=energia mecanica. Pero, como todos nosotros sabemos, la atmosfera se hace mas y mas tenue segun vamos ascendiendo, y por tanto la cantidad de aire que entra a un motor disminuye enormemente con la altura, con lo cual los aviones a piston reducian su potencia a alta altitud de manera uniforme según se ascendía.
La solucion basica al problema fueron los sistemas de sobrecompresion. Los sobrecompresores lo que hacian era tomar el aire de la atmosfera, y comprimirlo antes de meterlo al motor. Al comprimir el aire, metes mas oxigeno al motor, lo cual compensa en parte la disminucion de O2 en altitud y permite alcanzar mayores presiones de admisión, y así lograr más potencia.
Dichos sobrecompresores podian ser bien mecanicos (el sobrecompresor actuaba usando energia mecanica del motor), bien por energia residual -los llamados turbocompresores-(usando los gases expulsados del motor para hacer girar una turbina que a su vez actuaba el compresor). Los mas usuales eran los mecanicos, siendo los americanos los únicos que lograron usar aviones de serie con turbocompresores en combate.
Lo curioso del asunto es que los pioneros de los sobrecompresores, los ingleses, desarrollaron esta tecnologia con un fin totalmente distinto: ganar los trofeos Schneider de carreras de hidroaviones. Dichas carreras se hacian a alturas bajisimas y la sobrecompresion se usaba para aumentar las presiones de admision.
Durante los proyectos de investigacion entre cada una de dichas carreras se hacian enormes avances en materia de la tecnologia del motor a explosion. Muy pronto ya los ingenieros se dieron cuenta de que la manera mas directa de aumentar el rendimiento de un motor era aumentar la presion de admision tope. Esto es, cuanta mas mezcla aire-combustible quemes al mismo tiempo, mas energia vas a producir (Esto es evidente).
El problema basico era que a nivel del mar,y sin ayudas, un motor podia introducir por si mismo una cantidad X de aire en el motor...y no mas, de modo que la presion de admision maxima se veia limitada por la cantidad de aire que metieras. A alguien se le ocurrio la idea,entonces..."comprimamos el aire, y metamoslo despues al motor"...idea que llevo al primer sobrecompresor.
La siguiente barrera que se encontraron los mecanicos fue la de la estabilidad de la combustion. Un motor incrementaba su potencia al mismo tiempo que le pedias una mayor presion de admision...pero llegaba un punto en el cual la presion de la mezcla,al ser tan alta, producia una combustion no uniforme (es decir parte de la mezcla quemaba y la otra no lo hacía , o lo hacía parcialmente, o lo hacía bastante más tarde). Eso producia bajones de potencia, y sobre todo un efecto de vibracion de alta frecuencia que de ser mantenido acabaria por cargarse el motor. A este efecto se le llamo "detonacion".
De modo que lo siguiente que los ingenieros miraron, fue como evitar la detonacion. No fue muy dificil darse cuenta de que los combustibles de alto octanaje (alta pureza) quemaban con mas uniformidad, de modo que el primer medio para lograr mayores presiones de admision -sin detonacion- fue suministrar fuel de mas calidad.
Cuando este recurso llego tambien a su limite, las investigaciones revelaron que los combustibles "aromaticos" eran mas eficientes...de modo que se usaron combustibles de octanaje mayor, y aromaticos...y despues se paso directamente a usar aditivos basados en el benceno mezclados con el combustible para hacerlo artificialmente mas estable.
Finalmente se llego de nuevo a la situacion de que se podia mantener una combustion a altas presiones de admision sin apenas detonacion...y se volvio al problema basico de que los supercompresores de la epoca -al ser mecanicos- tenian problemas para suministrar el aire necesario para dicha presion de admision sin reducir seriamente la potencia del motor. Un sobrecompresor, ya digo, usaba potencia del motor para comprimir aire, potencia que se restaba de la efectividad de dicho motor, pero se suponia que se devolvia con creces por el mayor rendimiento: Pongamos que un sobrecompresor necesitara 100hp para funcionar, esos 100hp ya no ayudan para girar la helice,pero si con esos 100 hp que usas para comprimir aire,logras 350hp gracias a la mayor presion de admision que consigues, entonces el beneficio neto es de 250hp. Negocio redondo.
Sin embargo a alto régimen de compresion, los beneficios de la compresion se reducian porque costaba mas y mas potencia comprimir más aire...hasta el punto que ya no era "rentable" la sobrecompresion porque costaba más comprimir aire extra que los beneficios que esto aportaba...entonces se buscaron otros medios de suministrar oxigeno al motor.
La primera respuesta fue el oxido nitroso. El N2O introducido en el motor, se disociaba en oxigeno y nitrogeno. El nitrogeno actuaba en parte como refrigerante y antidetonante, mientras que el Oxigeno puro se usaba como un "extra" de aire, para aumentar la cantidad de aire en el motor de manera artificial, sin necesidad de usar un sobrecompresor extrapotente..
El desarrollo tecnologico de los motores durante las carreras Schneider fue tal que los motores Rolls-Royce usados en los hidroaviones Supermarine S-6b que ganaron en la ultima edicion de dicho trofeo (1931,), usando masivamente la tecnologia de sobrecompresion, fueles especiales, aditivos aromaticos, y Oxido nitroso, entregaban hasta 2400hp...Claro que esos motores tenian que ser desmontados y mantenidos masivamente entre cada uso, puesto que el desgaste mecanico era enorme. Por hacer una comparación, el S-6b era a los hidroaviones lo que un F-1 es a un coche de calle.
Despues de las carreras Schneider a otro iluminado se le ocurrio la idea de que si un sobrecompresor servia para alcanzar presiones de admision insanas a baja altura, tambien podia servir para compensar por la "caida" de presion con la altitud. Las demás mentes pensantes se dieron cuenta de que eso era cierto, y se desarrollaron los primeros sobrecompresores especiales para altura.
La mecánica para lograr que un sobrecompresor compensara por la pérdida de potencia con la altura era sencilla: Al sobrecompresor de un avion dado se le "tuneaba" o "tweakeaba" para que girara a una velocidad X. A esa velocidad dada, el sobrecompresor usaba una potencia del motor Y. A mas velocidad de sobrecompresor, evidentemente mas aire puedes comprimir, pero mas potencia restas al motor. Hasta aqui todo claro.
Los primeros sobrecompresores tenian solo una velocidad. Por tanto el tio de la fabrica (o el ingeniero mecanico siguiendo ordenes del piloto, si el sobrecompresor podia ser "tuneado" sobre el terreno) decia "bueno, quiero obtener el maximo rendimiento de este avion a TAL altura...y para TAL altura necesito X revoluciones del sobrecompresor".
De tal forma, al sobrecompresor se le daba una velocidad a la cual el rendimiento de potencia seria maximo a la altitud deseada. Pongamos un ejemplo.
Tenemos un avion con un motor que admite una presion de admision tope de 1.3 ata (atmosferas, dicha presion de admision no se puede superar o habra detonacion). Dicho motor tiene un sobrecompresor cuya velocidad esta optimizada para rendir a tope a una altura de, pongamos, 8000 pies.
A 8000 pies dicho compresor dará suficiente aire para que el piloto pueda pedir 1.3ata de presion de admision...por encima de esa altitud el sobrecompresor NO DA SUFICIENTE AIRE como para mantener 1.3ata, de modo que la presion de admision bajara.
Por debajo de esa altitud el sobrecompresor DA DEMASIADO AIRE al motor, es decir que el piloto tiene que "reducir gases" del avion para mantener la presion de admision en 1.3ata, de otro modo se produciria una sobrepresion que conduciria a detonacion.
En efecto a altitudes menores de 8000 pies, el sobrecompresor hace un trabajo "innecesario" puesto que esta girando a una velocidad demasiado alta que no se puede aprovechar, y eso resta potencia efectiva puesto que dado que el compresor aun gira, está “sangrando” potencia al motor sin dar todos sus beneficios a cambio. Pero a altitudes superiores a 8000 pies el motor no hace trabajo suficiente para aportar el aire necesario para mantener una presion de admision de 1.3ata.
De modo que los primeros aviones con sobrecompresor tenian una altitud "optima" por encima de la cual se "ahogaban" por falta de oxigeno y por debajo de la cual corrian el peligro de sobrepresionarse.
Entonces a otra brillante mente pensante se le ocurrio la idea de meter al sobrecompresor dos velocidades distintas (un simple juego de cajas de reduccion lo podia hacer). Una , "baja velocidad" era usada a bajas altitudes, y la otra "alta velocidad" era usada a alta altitud.
Dichas velocidades entraban en accion automaticamente, o podía necesitar del piloto para hacerlo, o incluso podía ser semiautomático, eligiendo el piloto meterla antes o despues de lo que lo hacía el auto. Y éste sistema era mucho más eficaz.
Pongamos otro ejemplo. Al avion de antes le ponemos un sobrecompresor de 2 velocidades, una velocidad "alta" que usa bastante potencia de motor pero comprime mucho aire, y otra "baja" velocidad que usa menos potencia y comprime menos aire. A la velocidad "alta" la optimizamos para 12000 pies, y a la velocidad "baja" la optimizamos a 5000 pies. El cambio automatico de velocidades lo situamos a 7000 pies.
que pasa con este avion?. pues pasa que a 5000 pies tiene un rendimiento optimo, por encima del cual sus prestaciones empiezan a caer...pero a los 7000 pies la velocidad del sobrecompresor cambia automaticamente a "alta", de modo que el aire disponible para meter en el motor aumenta...hasta los 12000 pies que es la altitud optima de dicha segunda velocidad...a partir de la cual el rendimento cae de nuevo, ya sin freno.
Que problema tiene este sistema?. Suena bien en un principio, pero sigue teniendo altitudes "optimas", y eso indica que mucha de la energia del sobrecompresor se desperdicia en alturas que no son las óptimas. Los alemanes (mas concretamente Daimler-benz) fueron un paso mas alla y desarrollaron un sobrecompresor de velocidad variable.
En vez de tener un par de velocidades "fijadas" para dos altitudes distintas, el sobrecompresor de la familia de motores DB60X (DB600, DB601, DB603, DB605, DB606, DB610) tenia un regulador automatico que media la presion atmosferica, y regulaba la velocidad del compresor de acuerdo con dicha presion. De tal forma ,el sobrecompresor de dichos aviones siempre iba a una velocidad optima para la altituda a la que el avion se encontraba (claro que dicho regulador se podia tambien cambiar para optimizar el sobrecompresor a altas altitudes y a bajas altitudes, pero eso es otra historia).
Este sistema tambien tenia un ligero coste y era que siempre usaba un % de la energia del motor para el funcionamiento del regulador de modo que nunca se obtenia un rendimiento MAXIMO a una altitud dada sino que se obtenia un rendimiento OPTIMO a todas las altitudes. Y de todas formas el sobrecompresor siempre llegaba a un punto en el cual por muy rapido que corriera, ya no daba mas de si. De todas formas el método era mucho más eficaz que el utilizado hasta entonces.
Finalmente, de nuevo los britanicos dieron con otro medio para aumentar el rendimiento de un avion a alturas extremas (sin aumentar por ello,a priori, el coste de operar el avion a baja altura). El sobrecompresor de varias etapas.
El sobrecompresor de varias etapas (los unicos motores con varias etapas que vieron accion en la 2GM tenian 2 etapas aunque habia prototipos de 3) consistia en un sobrecompresor principal -o primera etapa- que corria como un sobrecompresor normal (con una o varias velocidades,depende del modelo). Por debajo de la altura de entrada en funcionamiento de la segunda etapa dicho compresor funcionaba tal y como ya he explicado antes.
Pero a una altitud X (dependiendo del motor), entraba en funcionamiento la segunda etapa. La segunda etapa no era ni mas ni menos que OTRO sobrecompresor mecanico, que recibia el aire comprimido por la primera etapa, y lo VOLVIA A COMPRIMIR antes de meterlo al motor.
Dicha segunda etapa tambien podia tener una o varias velocidades también.
Finalmente, los maestros del arte de la sobrecompresion por excelencia (la casa britanica Rolls-Royce) desarrolló un sistema por el cual, en las series del Merlin y del Griffon, el refrigerante usado por el propio motor para enfriarse, era usado tambien para ENFRIAR el aire comprimido por la primera etapa antes de introducirlo en la segunda. Esto tenia varios efectos muy positivos:
1-El aire frio es mas denso,ocupa menos espacio y es mucho mas facil de comprimir
2-El aire comprimido tras salir de la primera etapa estaba MUY caliente dificultando una recompresion. Asi se aumentaba la efectividad de la 2ª etapa.
3-El aire a menor temperatura en una mezcla aire-combustible tiende a producir detonacion mas tarde que el aire caliente.
Dicho sistema de refrigeracion entre etapas (llamado "intercooler" en ingles) fue unico en los R&R Merlin y Griffon, y fue la razon por la cual los aviones dotados de dichos motores eran excelentes a altitudes extremas.
-ADITIVOS: Como aumentar la potencia de un motor en altitud sin cargar al sobrecompresor.
Los aviones de la 2GM usaban combustibles de alto o medio octanaje ,muy lejos de la pureza de los combustibles usados en el trofeo Schneider (lo normal para los alemanes era el C3 de 96 octanos o el B4 de 87 octanos. Lo normal para los aliados era gasolina de 100 octanos... ambos muy lejos del combustible de 150 octanos mezclado con benzeno y aditivos del Supermarine S7 que vencio el trofeo en 1931)
En otras palabras, el fenomeno de detonacion afectaba de manera muy real a los aviones de la 2GM puesto que dadas las necesidades logisticas la pureza del combustible no podia ser tan absurdamente elevada como en una carrera de competicion. Eso indica que las presiones de admision de los aviones de combate solian estar limitadas por dicha pureza. Por ejemplo en 1942 un 109G2 con DB605A tenia una presio de admision tope de 1.32ata (aumentada mas tarde a 1.42ata, y aun mas a 1.8ata con el uso de MW50)
El uso de antidetonantes era comun en el bando aleman pues solia disponer de combustibles de menor calidad que el bando aliado. El MW50 era un ejemplo de antidetonante (un liquido que inyectado en el motor permitia mayores presiones de admision sin producirse detonacion...aunque el motor se recalentaba lo suyo).
Bien, volvamos al tema de incrementar presiones en altitud, y concentremonos en el caso especifico del Messerschmitt Bf109E7/Z. El 109E7-Z tenia un sobrecompresor por centrifugado de velocidad variable cuyo rendimiento empezaba a bajar a los 18000 pies aproximadamente (unos 5500 metros). En otras palabras, el motor DB601N del Bf109E7/Z era capaz de mantener la presion de admision a tope hasta esa altitud, por encima de la cual el sobrecompresor no podia comprimir mas aire y el motor bajaba su rendimiento progresivamente por falta de aire.
El Bf109E7/Z estaba equipado con GM-1, el codigo aleman para designar la inyeccion directa de óxido nitroso en el motor. Recordemos que el Oxido nitroso habia sido usado para aumentar la potencia en las Schneider (igual que en las carreras de hoy en día se sigue utilizando), pero, al ser una fuente artificial de oxígeno, tambien podía ser usado para mejorar las prestaciones en altitudes extremas.
La adicion del GM-1 lo que hacia era que por encima de la altura crítica del motor (a la cual el sobrecompresor llegaba al tope de su capacidad y por encima de la cual perdía efectividad, 5500 metros en el Bf109E4/Z), al motor le metias una cantidad extra de oxigeno (a traves del N2O) por encima de lo que el compresor podia proporcionar por si mismo.
Por ejemplo, comparemos el rendimiento de un DB601E (como el del Bf109E7), que a 20000 pies (6700 metros + o -) entregaba a duras penas 950hp...mientras que el DB601N (el mismo motor pero optimizado para usar GM-1) entregaba 1200hp a la misma altura.
Creo que el efecto sobresale por si mismo...lo que pasa es que ese sistema a baja altura no vale para nada. Porque a baja altura ya tienes oxigeno de sobra (el que te da el sobrecompresor). De modo que ,como la instalacion de ese sistema era complicada y pesada, un avion con GM-1 a baja altura cargaba con un peso muerto que no le servia de nada -y eso sin contar con que el GM-1 producia algo de desgaste adicional del motor. Pero lo mas importante era que por debajo de la altitud "optima" del sobrecompresor del motor, el GM-1 no servia de nada, a no ser que tuvieras un sistema antidetonante asociado, como el MW50, que retrasara el umbral de detonación.
De hecho a finales de la guerra el magnífico Ta152H-1 ,el mejor caza de gran altitud de la 2GM, llevaba MW50 y GM-1. A determinadas altitudes el piloto podia meter MW50 para aumentar la presion de admision sin detonacion, y a continuacion meter GM-1 para meter un plus de oxigeno en el motor. El efecto era espectacular, y eso mezclado con un sobrecompresor de 2 etapas y 3 velocidades, le daban al Ta152H-1 unas prestaciones soberbias a alturas tan increibles como mas de 40mil pies.
Volviendo a GM-1...que pasaba si activabas el sistema GM-1 a baja altitud, yendo al 100% de tu potencia nominal?...pongamos...
vas a 1500 metros, a tope de gases en tun BF109E7/Z. Le estas pidiendo al motor la presion de admision tope 1.32ata para el DB601N)...y de repente le metes un chisme que te aumenta la presion de admision en el motor de manera astronomica (porqueue le metes un exceso de aire del copon POR ENCIMA del que ya da el sobrecompresor)...
Pues la consecuencia es bastante dramática: en el motor se produce detonacion por la via rapida. El combustible se quema de manera irregular, se produce vibracion (la clase de vibracion que se carga las cosas) ,y ademas se recalienta todo el sistema por la alta presion producida, de modo que simplemente...gripas el motor...y eso si no te estalla antes en la cara.
TURBOCOMPRESORES: otra version del sobrecompresor.
Un turbocompresor es un sistema de compresion de aire que usa un metodo totalmente distinto al del sobrecompresor para lograr el mismo fin: meter aire muy comprimido al motor.
El principio de actuacion de un turbocompresor era sencillo. El supercompresor mecanico tenia una desventaja principal,y es que "robaba" potencia al motor, tal y como he descrito. Ademas, salvo los Daimler-benz alemanes con sobrecompresor de velocidad variable, todos los motores con sobrecompresor mecanico tenian alturas optimas, fuera de las cuales el motor rendia muy por debajo de sus posibilidades, y todo ello era provocado por el origen motriz de la fuerza que actuaba el sobrecompresor.
Un turbocompresor actuaba de manera muy distinta. En toda combustión de un motor a piston, hay gases residuales de "desperdicio", gases calientes que se echan a la atmosfera sin ningun provecho (aunque mas adelante, se usaran dichos gases de escape canalizados adecuadamente com una especie de "jet" para aumentar la velocidad del avion).
La idea del turbocompresor, o turbo para abreviar, era usar esos gases de deshecho, que no aprovechaban gran cosa de otro modo, y canalizarlos hacia una turbina a la cual hacian girar a alta velocidad (un efecto similar al de una presa hidroelectrica, cuya corriente de agua hace girar una turbina para producir electricidad). Dicha turbina a su vez movía el centrifugador de un compresor que no dependia del motor PARA NADA, que comprimia el aire y despues lo introducia en el motor.
Ese sistema es altamente eficiente y economico, pues no roba potencia al motor, y no tiene "picos" de rendimiento como los sobrecompresores mecanicos. Ademas, puesto que la velocidad de actuacion del compresor dependia de la fuerza de los gases de expulsion ,en realidad a cuanta mas potencia trabajaba el motor, mas gases de despercidio, y mas comprimia el turbocompresor.
Finalmente, segun se sube en la atmosfera, el aire se hace mas tenue y la presion menor. La presion de los gases de deshecho del motor ,por tanto, salia a mucha mas velocidad a alta altura, haciendo funcionar mucho mejor al turbocompresor en alta altitud que en baja altitud. En otras palabras, un avion con turbocompresor siempre va a ser mas eficiente en altitud que uno con supercompresor mecanico (a no ser que en este ultimo uses GM-1 o alguna cosa rara de efecto similar).
La desventaja de este sistema era que era muy costoso en terminos de materiales...los gases de escape salian a muy alta velocidad y temperatura, de modo que la turbina tenia que ser muy resistente a la corrosion y al desgaste. Dicha resistencia solo se podia obtener con aleaciones de muy alta calidad.
Otra desventaja era que, dependiendo del montaje, montar un turbocompresor tomaba mucho espacio y era muy pesado. Todo lo que queda por debajo del ala de un P47, por ejemplo, esta ocupado por el turbocompresor.
Por ultimo, el turbocompresor era excelente en altitud, pero en bajas alturas por lo general era "peso muerto" redundante e innecesario, de modo que los aviones con dicho sistema son muy buenos a altas cotas pero a baja cota tenian mas problemas.
Los pioneros de este sistema, y los que lo usaron con mas exito fueron los americanos (gracias a que General Electric era el lider mundial en este tipo de sistemas). Los alemanes tambien estaban muy avanzados en éste campo, pero al no contar con reservas de los metales estrategicos para aleaciones de alta calidad suficientes no pudieron fabricarlos en serie.
Como se ve, los métodos para incrementar la potencia de los aviones en alta altitud fueron varios, y mejorarlos siempre significo un desafío para los ingenieros de motores. Al final de la 2GM ésta tecnología estaba desarrollada hasta el extremo práctico, habiendo alcanzado un nivel de perfección casi absoluta. Pero no pudo ser aprovechado durante mucho tiempo...porque el Jet, que dejaba el motor a piston anticuado, había llegado.
