Experimentos aerodinámicos de Maxim

Después de formalizar su relación con Sarah, mediante la boda que celebró en Londres en 1890, viajó a Estados Unidos y a México para regresar al Reino Unido y entregarse febrilmente a la construcción de su nuevo invento. El plan inicial de Maxim era dedicar tres años al desarrollo de un nuevo motor de combustión interna y dos a la construcción de la máquina. Sin embargo, Maxim abandonaría muy pronto la idea de utilizar motores de combustión interna de gasolina. El tiempo que hacía falta, según sus estimaciones, para desarrollar un motor de este tipo, que cumpliera con los requisitos que precisaba su máquina, sobrepasaba con creces el que disponía, teniendo en cuenta su presupuesto. Sin embargo, Maxim no tenía la menor duda de que el motor de combustión interna sería la opción a tener en cuenta para futuros desarrollos aeronáuticos.

Al descartar el motor de gasolina, centraría sus esfuerzos en un nuevo motor de vapor. Para alimentar los motores de vapor de su máquina (Fig. 19-1800), Maxim diseñaría una caldera tubular de grandes dimensiones, 8 pies de largo por 4 pies 6 pulgadas de ancho y 6 pies de alto, que con la caja, pesaba unas 1000 libras (Fig. 19-1850).

Fig. 19-1800. Hiram Maxim. Motor de vapor. Cada una de las dos hélices de su aparato se movía con el motor de vapor de la fotografía.

Fig. 19-1850. Hiram Maxim. Caldera. La caldera suministraba presión a los dos motores

Los 1400 pies de tubos de cobre de 3/8 de pulgada, los había traído de Francia y trabajaban a una presión de unas 320 psi. El agua se calentaba mediante quemadores de gas con una matriz de 7650 inyectores que producían una llama continua a lo largo de toda la caldera y empleaban petróleo como combustible. La caldera alimentaba dos motores, extraordinariamente ligeros, con un peso de 320 libras, uno para cada hélice, capaces de suministrar 180 caballos, cada uno de ellos. El condensador lo diseñaría utilizando una serie de perfiles huecos, formando una configuración de multiplano, muy en la línea con las ideas de Phillips, situados detrás de las hélices aprovechando la corriente de aire que enfriaba el agua, también para generar sustentación. La planta de potencia de vapor, sería la más eficiente y ligera que jamás se había construido, constituyendo un auténtico logro, desde el punto de vista tecnológico.

Al tiempo que el equipo de Maxim trabajaba en la construcción de la caldera y los motores, también se ocuparía de recopilar toda la información disponible sobre hélices de propulsión. Después de comprender que el estado del conocimiento sobre esta materia no permitía diseñar y construir hélices que fueran capaces de suministrar un determinado empuje a partir de una potencia específica de forma predecible, Maxim llevaría a cabo una serie de experimentos con ocho tipos distintos de hélice utilizando un aparato de su invención capaz de medir la potencia y el empuje (Fig. 19-1900).

Fig. 19-1900. Hiram Maxim. Balanza para medir el empuje de las hélices. Dispositivo inventado por Maxim para medir el empuje de las hélices

También estudió el flujo de aire alrededor de una hélice porque algunos expertos le habían dicho que las hélices eran muy poco eficientes ya que tomaban aire por la parte central y lo expulsaban radialmente por la punta de las palas. Maxim construyó un dispositivo con hilos de seda que le permitirían visualizar el flujo de aire alrededor de las hélices. Descubrió todo lo contrario, precisamente que el aire entraba por las puntas de las palas (Fig. 19-2000).

Fig. 19-2000. Flujo de aire alrededor de las hélices. Maxim estudió el flujo de aire alrededor de las hélices, utilizando pequeños hilos que le permitirían observar la dirección e intensidad de la corriente de aire en distintos puntos. De sus experimentos concluiría que por la parte posterior el aire entra y también sale del plano de la hélice.

En sus experimentos llegaría a la conclusión de que si las superficies de las hélices estaban bien pulidas la resistencia de fricción era prácticamente despreciable, cosa que no ocurría cuando la superficie presentaba una cierta rugosidad. También dedujo que, al igual que en los barcos, las hélices debían colocarse en la parte posterior de la aeronave a fin de no perturbar el flujo de aire sobre el fuselaje. Maxim seleccionó un tipo de hélice cuya eficiencia era un 40% mejor que las diseñadas por el capitán Renard para el dirigible La France, dato que constató gracias a la información que le proporcionaría su amigo Gaston Tissandier, aprovechando un viaje que hizo a París (Fig. 19-2100).

Fig. 19-2100 Hélices. Hiram Maxim probó distintos tipos de hélices en su balanza. En la fotografía superior se muestran tres hélices que dieron buen resultado en los ensayos.

Las hélices de su aparato tendrían un diámetro de 17 pies y 10 pulgadas y eran capaces, con los motores que había diseñado, de suministrar un empuje total de unas 2000 libras. Para construir hélices de gran tamaño ideó un ingenioso método apilando listones de madera de menores dimensiones.

Maxim construyó una especie de túnel de viento de tamaño reducido con el que estudió la resistencia al avance de distintos tipos de materiales y acabados, de diferentes formas, así como la influencia sobre la resistencia de la separación de los cuerpos sometidos a un flujo de aire, y la sustentación y resistencia de algunos perfiles (Fig. 19-2200).

Fig. 19-2200 Túnel de viento. Con este aparato, Hiram Maxim probaría la resistencia a las corrientes de aires de distintos tipos de materiales y formas, así como la sustentación y la resistencia de algunos perfiles

El norteamericano se daría cuenta de la importancia que tiene la forma de un objeto en relación con la resistencia que ofrece en el seno de una corriente de aire. Cambiando 180 grados la orientación de la forma, viento por delante o por detrás, la resistencia puede cambiar de forma espectacular, dependiendo de la forma (Fig. 19-2300).

Fig. 19-2300. Resistencia de formas. Hiram Maxim determinaría la resistencia de distintas formas como las de la figura, de la (a) a la (d). Con un viento de 40 millas por hora la forma (a) ofrecía una resistencia de 0,78 libras y con el viento por atrás la resistencia era de 1,22 libras, mientras que para la (b) los valores serían de 0,28 y 0,42 libras, respectivamente.

Hiram Maxim probó distintos perfiles con cámara, incluyendo los de Horatio Phillips, variando el ángulo de ataque y la velocidad del viento, para determinar la sustentación y la resistencia. Comprobaría que cada perfil tenía unas características aerodinámicas específicas (Fig. 19-2400).

Fig. 19-2400. Perfil sustentador.
Maxim experimentó con distintos perfiles, determinando la sustentación y la resistencia en función del ángulo de ataque. Con un viento de 40 millas por hora y un ángulo de 1/12 el perfil daba una sustentación de 5 libras y una resistencia de 0,43 libras.

Maxim empezó a realizar ensayos de alas con un brazo giratorio de 63,69 pies de diámetro, al que acoplaría instrumentos para medir la resistencia y la sustentación. Mediante un cable extendería el brazo giratorio hasta conseguir un diámetro de 318 pies, probando así los planos a una velocidad de 80 mph. Los experimentos le demostrarían que, para algunos de sus planos, era posible obtener 70 libras de sustentación aplicando un empuje de 5 libras, cuando el ángulo de ataque era de unos 4 grados, es decir la sustentación era 14 veces superior a la resistencia (Fig. 19-2450).

Fig. 19-2450. Hiram Maxim. Brazo giratorio. Maxim realizaría ensayos de alas con un brazo giratorio de 63.69 pies de diámetro, al que acoplaría instrumentos para medir la resistencia y la sustentación. Mediante un cable extendería el brazo giratorio hasta conseguir un diámetro de 318 pies, probando así los planos a una velocidad de hasta 80 mph. Los experimentos le demostrarían que, para algunos de sus planos, era posible obtener 70 libras de sustentación aplicando un empuje de 5 libras, cuando el ángulo de ataque era de unos 4 grados, es decir la sustentación era 14 veces superior a la resistencia.

El inventor llegó a la conclusión de que con un plano sólido de madera podía sustentar 113 libras de peso por caballo de potencia, mientras que si el plano tenía una estructura de madera recubierta de tela, la sustentación bajaba a 40 libras por caballo de potencia. También pudo comprobar que los perfiles con la parte inferior ligeramente cóncava y la superior convexa daban una relación entre la sustentación y la resistencia mayor, por lo que eran, desde el punto de vista aerodinámico, más efectivos.

Conforme Maxim llevaba a cabo experimentos y obtenía resultados, su máquina de volar cambiaba de configuración. Si bien en un principio no sabía qué planta de potencia iba a utilizar, cómo serían las hélices, qué superficies de sustentación necesitaba y cómo ejercería el control del aparato, en la medida en que sus experimentos le suministraban información la máquina de volar iría tomando forma.

Los ensayos de Maxim le darían a entender que el tipo de ala que suministraba mayor sustentación era el construido con una pieza de madera sólida, pero el peso resultaba excesivo, de forma que al inventor se le ocurriría un nuevo diseño de ala. Estaría formada por una estructura de acero para soportar las cargas, delimitando los bordes de ataque y de salida mediante un cable de acero bien tensado. A continuación colocaría una serie de costillas o piezas de madera en el sentido longitudinal. La parte inferior del ala la recubrió de tela que no impermeabilizó completamente y la superior también, pero ésta sí la impermeabilizaría. Durante los ensayos comprobó que el aire atravesaba la parte inferior del ala, siendo la superior la que soportaba las diferencias de presión. La planta del módulo principal del ala era octogonal y tenía una envergadura de unos 50 pies y una superficie de 1500 pies cuadrados. Maxim haría pruebas montando en su aeronave únicamente este módulo y comprobó que a velocidades de 37 y 42 millas conseguía una sustentación de 3000 y 4000 libras. Con este tipo de construcción, Maxim diría que sus planos se comportaban aerodinámicamente igual que si los hubiera hecho de madera maciza.

Con el fin de darle utilidad adicional a las superficies del radiador de la caldera, Maxim diseñaría estos tubos con forma de perfil aerodinámico hueco y los organizaría de forma similar a los planos paralelos de Horatio Phillips para que le proporcionaran sustentación adicional (Fig. 19-2500)

Fig. 19-2500. Condensador

Para hacer las pruebas, Maxim desplegó en Baldwyns Park unos raíles a lo largo de 1800 pies, con anchura de vía de 9 pies. El aparato se deslizaba por la vía, sobre ruedas (Fig. 19-2600 y 19-2700).

Fig. 19-2600. Dibujo de la aeronave de Hiram Maxim

Fig. 19-2700. Aeronave de Hiram Maxim en Baldwyns Park, Kent

Durante las primeras pruebas, con el plano principal únicamente, dependiendo de la dirección del viento, la sustentación podía ser tan grande que la máquina se levantaba del suelo, por lo que Maxim colocaría ruedas adicionales de hierro fundido que, con sus ejes y conexiones, pesaban una tonelada y media. La máquina se apoyaba en las ruedas originales, que podían levantarse hasta 6 pulgadas, y cuando éstas perdían el contacto con los raíles, continuaba ligada a la vía a través de las conexiones y las ruedas pesadas. El problema que le planteó aquella solución fue la dificultad de acelerar y sobre todo de frenar el aparato, debido a la gran inercia que introducía la masa añadida. Entonces, decidiría construir unas planchas elevadas 2 pies sobre los raíles de acero, separadas 30 pies por lo que quedaban por fuera de la vía cuya anchura era de 9 pies. En el aparato montó cuatro ruedas con sólidos ejes con balancines que, cuando el conjunto se elevaba 1 pulgada topaban con la superficie inferior de las planchas evitando que pudiera levantar el vuelo.

La aeronave de Maxim tenía además del plano octogonal principal, dos planos que salían de los laterales de éste y otros dos planos iguales que salían de los laterales de la plataforma situada bajo el plano principal. Los planos laterales, con diedro, se extendían 27 pies más, con lo que la envergadura del aparato era de 104 pies. En el morro y en la parte posterior había dos timones horizontales, octogonales, construidos de forma análoga al plano principal, con el objetivo de proporcionarle a la aeronave el control de cabeceo. Los mecanismos que actuaban sobre estos timones eran extraordinariamente suaves y precisos.

La nave no estaba diseñada, en este punto de su desarrollo, para volar libremente, pero disponía de control de cabeceo gracias a los timones, así como alas en diedro para garantizar la estabilidad lateral, o de alabeo, y para controlar la guiñada, Maxim pretendía aplicar asimétricamente la potencia a las hélices. Maxim creía que para dotar de estabilidad a la aeronave sería necesario utilizar un sistema automático gobernado por un giróscopo y también llegaría a efectuar algunos ensayos con este tipo de dispositivo.

De 1889 a 1894, Maxim construiría su motor, llevaría a cabo ensayos aerodinámicos y montaría por partes su máquina de volar, sin la intención de que aquella versión de su aparato sirviera de aeronave, sino que la utilizaría como un banco de pruebas sobre el que podía verificar la bondad de sus diseños, presa en los raíles que había dispuesto para que no pudiese remontar un vuelo que aún no estaba seguro de poder controlar.

Experimentos de vuelo de Maxim

El artefacto de Maxim rodaba sobre carriles hasta alcanzar una velocidad en la que la sustentación lo levantaba. Por encima de los carriles había colocado unos planos de retención, de forma que cuando el aparato perdía contacto con la vía, unas ruedan topaban con estos planos manteniendo el aeroplano suspendido en el aire, pero a unos centímetros del suelo. El aparato contaba con dos planos de control horizontales, uno hacia el morro y el segundo en la parte de la cola cuyos ángulos de incidencia con respecto al viento podían variarse independientemente. Mediante estos timones de estabilización horizontal, Maxim tenía previsto ejercer el control para elevarse o descender. Levantando el plano de morro y manteniendo el de cola horizontalmente, las ruedas delanteras eran las primeras en topar con el sistema de retención (Fig. 20-10). Con el plano de cola alzado y el de morro horizontal, eran las ruedas traseras las que primero alcanzaban el tope (Fig. 20-20). Con los dos planos con un pequeño ángulo de una magnitud similar, el aparato se mantenía nivelado, levantando las ruedas delanteras y traseras al mismo tiempo (Fig. 20-30). Maxim también había concebido una posición para los planos de control en caso de avería para descender de forma controlada, como si se tratara de un paracaídas (Fig. 20-40). Este mecanismo de control le permitiría al aparato subir, descender o mantenerse a nivel. Hiram Maxim pensaba que en vuelo el piloto tendría que estar actuando constantemente estos timones por lo que sería conveniente dotar a la máquina de un sistema automático, utilizando un giróscopo, que efectuara las correcciones necesarias que permitieran mantener el vuelo nivelado.

Fig. 20-10. Hiram Maxim. Planos de control para levantar el morro. Rueda delantera sobre el plano de retención.

Fig. 20-20. Hiram Maxim. Planos de control para meter el morro. Rueda trasera sobre el plano de retención

Fig. 20-30. Hiram Maxim. Planos de control en posición de vuelo estabilizado. Las dos ruedas en el plano de retención.

Fig. 20-40. Hiram Maxim. Planos de control en posición de emergencia.

En cuanto al equilibrio lateral, Maxim había dotado a su máquina con alas que contaban con un acusado diedro, con lo cual entendía que sería posible mantener el equilibrio frente a ráfagas de viento transversal. Para girar, y controlar la guiñada del artilugio, Hiram Maxim pretendía utilizar los motores, aplicando mayor potencia a una de las hélices, aunque también consideró la posibilidad de montar un timón vertical. En general, todo el sistema de control era bastante rudimentario y el inventor era plenamente consciente de ello, por lo que en ninguna prueba dejó que el aparato abandonara el carril y los planos de tope dispuestos para evitar que la máquina volase libremente.

La forma de la máquina variaría de unas pruebas a otras, pero la configuración con la que llevó a cabo los ensayos más importantes disponía de una superficie de sustentación de unos 4000 pies cuadrados, y con la cabina con tres tripulantes a bordo y 600 libras de agua, pesaba algo menos de 8000 libras. En estas condiciones, con los motores a plena potencia, sujetando el aparato a un dinamómetro, conseguiría medir unas 2100 libras de empuje. Con ese empuje, si se liberaba la aeronave, rodaba unos 300 pies por la vía antes de que la sustentación hiciera que las ruedas se levantaran. Cuando las ruedas perdían el contacto con el raíl, al elevarse, a escasos centímetros del suelo, los planos de tope impedían que volara libremente. Para verificar el punto en que esto ocurría, las ruedas de tope se pintaban de rojo con lo que, al levantarse, marcaban de este color las planchas de madera.

Según las estimaciones de Maxim, el aparato daba una sustentación de 10 000 libras a una velocidad de unas 40 millas. Maxim hizo muchas pruebas con su máquina, dando cuenta a los periódicos, buscando la máxima publicidad, y aunque en algunos casos se produjeron incidentes, los daños no serían muchos y conseguiría reparar el aparato sin mayores consecuencias.

Una de las demostraciones privadas que hizo Maxim tuvo como pasajeros al hijo del Príncipe de Gales, futuro Rey George V, y al Almirante de la Flota, sir Edmund Commerell que era miembro del Consejo de Directores de la Maxim-Nordenfelt. A bordo del aparato y nada más liberarlo, al ver como los árboles pasaban a su lado a una velocidad cada vez mayor, el Almirante se asustó y le dijo a Maxim que lo detuviera, mientras que el Príncipe le ordenó que “le dejara andar lo que pudiera dar de sí”. El experimento se desarrollaría sin incidentes y la máquina se detuvo utilizando el mecanismo de frenada previsto por Maxim: enganchando tres gruesos cabos enrollados a unos tambores que hacían girar molinos de viento.

El 31 de julio de 1894 Maxim estaba preparado para hacer una demostración a la prensa y un escogido grupo de invitados en Baldwyns Park. Maxim extendió el raíl todo lo que pudo, hasta una media milla, y si no lo hizo más fue por el precio que el dueño de la tierra puso a cada uno de los árboles que tenía que cortar. Primero llevaría a cabo algunas pruebas, con mayor potencia cada vez, hasta que finalmente hizo que la caldera funcionase a la máxima presión de trabajo, 320 libras por pulgada cuadrada. Maxim relataría lo que ocurrió de la siguiente forma:

No habíamos recorrido más de 250 pies con una velocidad de 42 millas por hora cuando todo el peso se había descargado de las ruedas inferiores y las cuatro ruedas superiores rodaban, en rotación reversa, bajo la parte inferior de la pista superior. Después de rodar unos 1,000 pies el efecto sustentador llegó a ser tan grande que el árbol del eje de una de las ruedas que mantenían el aparato en tierra se dobló haciendo que las otras tres ruedas tuvieran que soportar toda la sustentación. El efecto de la sustentación fue tan grande que la plancha de pino de Georgia se partió en dos saltando por los aires; la máquina se liberó y flotó en el aire dándonos a los que estábamos a bordo la sensación de estar en un barco. Desafortunadamente, un pedazo de la placa golpeó una de las hélices rompiéndola. En el mismo instante yo corté el vapor y la máquina se detuvo descendiendo a tierra, con las ruedas hundiéndose en el césped blando sin dejar otras marcas, mostrando que la máquina cayó y se detuvo sin rodar sobre la hierba.

Aquella fue la primer vez en la historia del mundo en la que una máquina de volar se levantó a sí misma y a su tripulación en el aire.
El accidente esta vez sí que produjo daños de consideración en el aparato, rompiendo el ala inferior derecha, una hélice, y deformando la estructura de la plataforma. Maxim lo llevó al hangar y al poco tiempo estaba reparándolo.

El periódico The Times consideraría la prueba como un éxito narrando que “después de este experimento pocos ingenieros negarán en el futuro, tal y como algunos han hecho en el pasado, la posibilidad de construir una aeronave tan potente y ligera como para ser capaz de impulsarse a sí misma y a su tripulación a través del aire, junto con agua y combustible suficiente para el viaje.”

Según declararía Maxim al Aeronautical Journal, el coste de sus experimentos hasta aquella fecha, incluyendo las reparaciones de su último accidente, ascendía a veinte mil libras.

Maxim seguiría consumiendo dinero durante otro año más, hasta alcanzar la cifra de treinta mil libras de las que una gran parte habían sido suyas. En julio de 1895 una representación de la Aeronautical Society visitaría sus instalaciones en Baldwyns Park, cuando ya la propiedad de los terrenos le había anunciado que tenía que liberarlos para la construcción de un asilo. Los socios financieros de Maxim, que hubieran deseado un retorno sobre la inversión mucho más rápido, no mostrarían ningún interés en seguir poniendo dinero en un proyecto cuyo periodo de maduración era del todo imprevisible. Así es que, al tener que abandonar las instalaciones en las que tampoco había podido ampliar la longitud de los raíles, sin un horizonte de éxito claro a medio plazo y con las finanzas exhaustas, este proyecto aeronáutico de Maxim llegaría a su fin.

Los negocios de la Maxim Nordenfelt no funcionaron muy bien durante aquellos últimos años en los que Maxim estaba tan ocupado con los experimentos de vuelo. El gobierno demoraba una y otra vez pedidos de armamento, en gran parte debido a la crisis económica y la línea de producción pasaba por altibajos en función de las órdenes que recibía, principalmente de fuera de Inglaterra. Además, Maxim, un hombre de acción, imaginativo, enérgico, no poseía las virtudes necesarias para la buena administración de los negocios y el trato con un personal reivindicativo y muy influenciado por la acción sindical. Por si fuera poco, el gobierno había legislado de tal modo que otros fabricantes podían hacerle la competencia a la Maxim Nordenfelt a costa de pagar una pequeña tasa por el uso de las patentes. Como consecuencia de todos aquellos factores negativos, en 1894, la empresa tuvo unas pérdidas de veinte mil novecientas noventa libras esterlinas, cifra con la que engulliría todo el beneficio acumulado durante los últimos años que ascendía a poco más de siete mil libras. En 1895 las pérdidas fueron de trece mil libras esterlinas y el Consejo de Directores, influenciado por Albert Vickers, decidiría nombrar a un amigo de Lord Rothschild, Sigmund Loewe, primer ejecutivo de la firma. Hiram Maxim, que permanecería como Director en el Consejo de la empresa, se sentiría aliviado y el nuevo gestor consiguió cambiar por completo el rumbo de la sociedad, hasta el punto de que los resultados del año siguiente alcanzarían un beneficio de ciento treinta y ocho mil libras esterlinas.

En 1895 los negocios de armamento de Hiram volvían a estar bajo control, pero el genial norteamericano había gastado en su aventura aeronáutica una gran cantidad de dinero y sus socios, muy concretamente los Vickers, no creían en el proyecto. El inventor había demostrado que el vuelo era posible, montando para ello una máquina espectacular capaz de producir más de una tonelada de empuje y levantar cinco toneladas, con tres tripulantes y varios pasajeros a bordo. Aquello era un logro sin precedentes en la historia de la aeronáutica, pero ante Maxim se presentaba un panorama difícil de gestionar, lleno de interrogantes entre los que cabía destacar dos: cómo controlar el aparato en vuelo y dónde hacer las pruebas. Sin demasiados fondos a su alcance, sin el campo de pruebas de Baldwyns Park, sin el apoyo de sus socios ni de su esposa Sarah temerosa de que la aventura aeronáutica de su marido acabara con su patrimonio, y sin demasiadas ideas de cómo controlar el aparato, el proyecto de Hiram Maxim se vendría abajo.

Extracto de El secreto de los pájaros

http://www.elsecretodelospajaros.com

Sir Hiram Maxim (III)