Messerschmitt Bf escribió:
¿Hay alguna diferencia de rendimiento entre un motor radial (Ej: Focke Wulf 190) y uno V inertido (Ej:Me-109) o simplemente en línea, etc? Bueno, además de las diferencias de rendimiento específicas para cada avión, ¿el tener una clase de motor u otro te proporciona alguna ventaja?
Hola, yo me planteé la misma pregunta y te han contestado parcialmente y con bastante detalle, pero no te han contestado del todo. Yo conseguí averiguar la respuesta tras años de lectura y consultas a ingenieros, por lo que sin ser ingeniero o entender mucho de motores creo saber la respuesta. Ya no frecuento este foro pero vi este mensaje y espero que mi aporte sea de interés.
En resumen, el motor lineal refrigerado por líquido tiene un rendimiento superior al radial refrigerado por aire a gran altitud, por encima de los 6.000 metros, que no es casual que coincida con la altura a la que la atmósfera se enrarece y no se puede respirar sin máscara de oxígeno.
Hay ventajas y desventajas para cada modelo. De las mencionadas por otros foreros, no hay diferencias apreciables de tamaño que influyan sobre la probabilidad de impacto en el motor propiamente dicho, ni tampoco la diferencia de sección frontal es significativa. pero el radial al no tener radiadores y las tuberías asociadas es menos vulnerable. Sobre mantenimiento, el radial es más fácil de mantener porque al tener menos piezas es más robusto, es decir, pasan más horas entre revisión, pero las reparaciones y el mantenimiento son más complejos que en un motor en línea. En este, abres la capota y está todo fácilmente accesible. En un radial para algunas operaciones hay que meter la mano entre los cilindros y actuar al tacto, cuando no es necesario desmontar todo el bloque motor.
El radial es menos complejo de fabricar, pero el hecho de que Japón, Italia y USA no diseñaran buenos motores lineales no es tanto una cuestión de falta de conocimientos si no de que la industria durante los años 20 y 30 apostó por los radiales y por tanto carecieran de tradición de diseño y experiencia en ese campo, y es algo que no se improvisa.
Al final, el problema en esencia es una cuestión de termodinámica, así como una ametralladora refrigerada por agua se calienta menos que una refrigerada por aire, lo mismo pasa con los motores.
El antecesor del motor radial era el motor rotativo de la Primera Guerra Mundial, que se desarrolló precisamente porque los radiales refrigerados por aire eran ineficientes. El rotativo es un radial que gira, aumentando de este modo la velocidad del flujo de aire alrededor de las cabezas de los cilindros, es decir, los cilindros de un rotativo girando se movían más deprisa a través del aire que los cilindros estacionarios de un radial desplazándose a una velocidad de menos de 200 kph.
La ventaja del rotativo sobre el lineal era una mayor relación potencia peso hasta que los lineales superaron los 150 CV, límite práctico de los rotativos por cuestiones de inercia. Hasta 1918 no se desarrollaron motores radiales de una potencia suficiente para propulsar al aeroplano a una velocidad suficiente para que el flujo de aire bastara para enfriar los cilindros. Es por eso (y para facilitar el mantenimiento) que los aviones de la PGM y de entreguerras tenían las cabezas de los cilindros expuestas, tanto en los motores radiales como lineales, hasta que el aumento de la velocidad permitió cubrir con capotas aerodinámicas los motores. En el caso de los radiales, fue la invención del anillo de carenado NACA (agencia antecesora de la NASA) en la década de los 1930 que permitió cubrir los cilindros de los radiales de forma que presentaran menos resistencia al aire sin comprometer el flujo de aire para la refrigeración.
Aún así, al aumentar la potencia y con ello el volumen de los cilindros y por consiguiente de la sección frontal de los motores radiales, crecía la resistencia aerodinámica y se llegaba a un punto de rendimienos decrecientes: El motor radial era más ligero que el lineal y tenía mejor relación potencia peso, pero la ganancia en velocidad se perdía con el aumento de la resistencia. La historia del Focke Wulf 190 es muy ilustrativa como ejemplo de intentar lograr la cuadratura del círculo. Afinando la aerodinámica se comprometía la refrigeración.
Por otra parte, en un tema relacionado, el problema de los radiadores y las tuberías en los motores lineales hizo que a veces fuera más conveniente disponerlos en forma anular en torno al bloque motor dándoles un aspecto de motores radiales, como es el caso de los Jumo de los Junkers 88 luego empleados en el FW 190 D, presuntamento el aumento de la sección frontal y la resistencia sería compensando por el ahorro de peso, y que las entradas de aire de los radiadores también crean resistencia.
Volviendo a los radiales. Al ser refrigerados por un fluido externo, el aire, por conducción y convección dependen de dos cosas: la densidad del aire, y la velocidad de éste. Ya hemos visto que el radial sólo resultó práctico cuando se pudieron lograr velocidades por encima de los 150 kph. Pero la densidad también cuenta. A menor altura, el aire es más denso, con lo que la refrigeración es más eficiente. Claro que también aumenta la resistencia aerodinámica, pero la ganancia de potencia hace que el motor radial sea más eficiente que el lineal a baja cota, con lo que se compensa la ineficiencia aerodinámica de la célula. Por eso los cazas con motores rotativos o radiales eran más rápidos y tenían mejores prestaciones que los de motor refrigerado por líquido a altitudes bajas y medias.
A mayor altitud, las tornas cambian. Todos los motores ven reducidas sus prestaciones a gran altura donde el aire es más tenue. Menos aire, menos oxígeno llega a la cámara de combustión y peor el rendimiento, lo que lleva a aumentar el ratio de compresión como se hizo en la Primera Guerra Mundial, o a usar turbocompresores, que son básicamente ventiladores que aspiran aire y lo comprimen para que llegue más denso al motor y por tanto haya más oxígeno para la combustión. En el caso de los aviones de hélice, también se ve afectada la eficiencia de las hélices.
Estos dos factores son iguales para ambos tipos de motores, provocando una pérdida de velocidad, pero la reducción de la densidad del aire tiene un efecto adverso sobre la capacidad de refrigeración del motor radial, que no afecta al motor lineal refrigerado por líquido. ¿Por qué es tan importante la refrigeración? Porque al sobrecalentarse el motor, las piezas se dilatan y se degradan los lubricantes, aumentando las pérdidas de energía por fricción, y aumentando la temperatura en el cilindro lo que provoca la combustión prematura, reduciendo la potencia. En el caso extremo por sobrecalentamiento en el que el motor queda gripado, provocado a veces por los daños en el sistema de refrigeración o en el de lubricación. Este tema de la temperatura del motor es algo que se pasa por alto. Por ejemplo, al contrario que el motor de un automóvil moderno, los motores necesitaban un precalentamiento antes de despegar para que el motor alcanzara la temperatura óptima para que la lubricación fuera eficiente. Demasiado caliente y se quema o se gripa. Demasiado frío y aumenta la viscosidad del aceite lo que puede hacer que este se pare. De pasada comentó que una de las ventajas de los rotativos es que necesitaban menos tiempo para precalentarse, lo que los hacía muy indicados para los cazas interceptores, sobre todo teniendo en cuenta lo mucho que tardaban en alcanzar la cota de vuelo (unos 20 minutos para alcanzar los 5.000-6.000 metros)
Se me ha olvidado comentar que con la altura desciende la temperatura, con temperaturas árticas a partir de los 5.000 metros, pero aunque esto ayuda a la refrigeración por el mayor gradiente de temperatura es mucho menos significativo como factor que la densidad del aire.
El problema de la refrigeración dejó obsoletos a los motores rotativos, porque era insoluble en los motores de doble estrella, única forma de aumentar la potencia ya que limitaciones físicas del momento de inercia de rotación y de la resistencia de la sección frontal hacían inviable el aumentar el número de cilindros o el tamaño de estos. Durante los años 20 y 30, los motores radiales se bastaban con el flujo de aire, pero creo que durante la SGM, se hizo necesario instalar ventiladores en los motores con el aumento de potencia. Creo recordar que en el caso del BMW del Focke Wulf 190 así era.
Si la Gran Guerra fue una pugna entre rotativos y lineales, el motor radial dominó durante la época de entreguerras. Pero toda la historia del combate aéreo es una lucha para lograr mayor altitud. Cuanto más alto vueles, menos posibilidades hay de ser sorprendido por un enemigo que vuele a una cota superior, y la altitud se puede convertir en velocidad en un picado, velocidad que luego puede usarse para recobrar altura. Cuando se pasó a los aviones de cabina cerrada y con máscaras de oxígeno para superar el techo de los 6.000 metros, los cazas con motores radiales se veían en desventaja. En la guerra aeronaval del Pacífico, como ambos bandos habían optado por desarrollar los motores radiales, ni americanos ni japoneses se vieron en la necesidad de desarrollar cazas con motor lineal para combatir a grandes alturas, (salvo en el caso japonés cuando tuvieron que defender el territorio metropolitano de los bombarderos) además de todas formas la naturaleza de la lucha imponía descender "hasta la cubierta", porque tanto bombarderos en picado y aviones torpederos necesitaban realizar sus ataques a baja cota, y naturalmente, los cazas tenían que descender a su nivel para combatir con ellos. Volar a gran altitud también puede ser contraproducente porque si se vuela demasiado alto, no se pueden avistar a los aviones enemigos a baja cota. Por ejemplo, en el Frente del Este, los Messerschmitt eran superiores a gran altitud a la mayoría de los aviones rusos, pero si sus aviones de ataque y bombarderos en sus misiones volaban por debajo de los 6.000 metros y mucho menos, los pilotos alemanes tenían que descender y aceptar combate a cotas medias y baja con cazas de motor radial como los Polikarpov y Lavochkin, una de las principales razones por las que los rusos apreciaban tanto y sacaron tan gran partido del Bell P-39 Airacobra, avión de motor en línea de malas prestaciones a gran altura, pero idóneo para la lucha en el Frente del Este.
En el Oeste las cosas fueron diferentes. Parece que los alemanes tenían expectativas muy altas para el Focke Wulf 190, que resultó una decepción, aunque en efecto era el mejor caza en 1942, no pudo susitituir al viejo Me 109 porque no era apto como interceptor a grandes alturas. Los bombarderos americanos volaban cada vez más alto para reducir el peligro de la artillería antiaérea, lo que resulta curioso porque tenían motores radiales, que no son los más indicados para un bombardero de alta cota, pero los americanos resolvieron el problema usando turbocompresores y potencia bruta les sobraba. De esa forma fue como el caza de escolta que rompió la espina dorsal de la
Luftwaffe fue el P-47 Thunderbolt, prueba de que hasta u ladrillo puede volar si se cuenta con suficientes caballos. El FW 190 era inferior al Thunderbolt y no digamos ya al Mustang, aunque la cosa cambiaba a baja cota. El Me109 podía batirse en igualdad con los cazas americanos, pero como se sacrificó el armamento para aumentar las prestaciones, no podía atacar con eficacia a los bombarderos.
Por último, una consideración sobre la vulnerabilidad del motor refrigerado por líquido. En efecto, incluso el más pequeño impacto de un trozo de metralla o una bala calibre de fusil en el radiador o sus tuberías bastaba para inutilizar un motor. Esto hacía que aún con sus defectos, el Focke Wulf fuera mejor para atacar a los bombarderos y para el ataque a tierra. En el caso de los motores de la SGM, no es tanto un tema de vulnerabilidad del motor y el radiador por su volumen, como de refrigeración. Cuanto más grande un motor, más calor produce, y más fluido refrigerante necesita. Por ello los aeroplanos con motores lineales de la Primera Guerra Mundial no eran tan vulnerables como sus descendientes. Su radiador era más pequeño, y normalmente integrado con el motor, como el radiador de un auto, por lo que el área expuesta no es mayor. Es más, la perforación del radiador no era tan grave porque el motor todavía podía funcionar unos minutos hasta sobrecalentarse, ya que la corriente de aire también ayudaba en la refrigeración, y como he dicho, muchos aeroplanos estaban diseñados con los cilindros parcialmente expuestos, o se quitaban las chapas de la capota en tiempo caluroso en muchos otros, lo que permitía en muchos casos el seguir volando hasta cruzar las trincheras y aterrizar de emergencia en terreno propio. Pero en la SGM, un impacto en el radiador suponía la pérdida casi inmediata del avión. A mí se me ocurre que además del mayor calor generado por los motores más potentes, también sufrían una pérdida mucho más rápida de refrigerante por las mayores velocidades a las que volaban, por el efecto Bernoulli. Al pasar una corriente de aire más rápida por el agujero en el circuito, se perdía fluido más rápido, pero no he mirado la ecuación así que no sé si estoy acertado o no.
Para terminar, como ya han descrito fue el radial el que cerró el capítulo de los motores de pistón, pero también esto en parte es producto de la posición hegemónica de la industria aeronáutica americana al acabar la guerra.
