Ala de barrido variable

Un ala de flecha variable , conocida coloquialmente como " ala oscilante ", es un ala de avión , o un conjunto de alas, que puede modificarse durante el vuelo, en flecha hacia atrás y luego regresar a su posición recta anterior. Debido a que permite cambiar la forma de la aeronave, es un ejemplo de una aeronave de geometría variable .

Un ala recta es más eficiente para el vuelo a baja velocidad, pero para un avión diseñado para vuelo transónico o supersónico es esencial que el ala esté en flecha. La mayoría de los aviones que viajan a esas velocidades suelen tener alas (ya sea en flecha o en delta ) con un ángulo de flecha fijo. Estos son diseños de alas simples y eficientes para el vuelo a alta velocidad, pero hay desventajas en el rendimiento. Una es que la velocidad de pérdida aumenta, lo que requiere pistas largas (a menos que se incorporen dispositivos complejos de ala de alta sustentación). Otra es que el consumo de combustible del avión durante el crucero subsónico es mayor que el de un ala sin flecha. Estas desventajas son particularmente agudas para los aviones basados ​​en portaaviones navales . Un ala de flecha variable permite al piloto usar el ángulo de flecha óptimo para la velocidad del avión en el momento, ya sea lenta o rápida. Los ángulos de flecha más eficientes disponibles compensan las penalizaciones de peso y volumen impuestas por los mecanismos de flecha mecánicos del ala. Su mayor complejidad y costo lo hacen práctico principalmente para aviones militares .

Entre los años 1940 y 1970 se introdujeron varios aviones, tanto experimentales como de producción. La mayoría de los aviones de producción que se han equipado con alas de barrido variable han sido aviones orientados al ataque, como el Mikoyan-Gurevich MiG-27 , el Tupolev Tu-22M y el Panavia Tornado . La configuración también se utilizó para algunos aviones de combate/interceptor , incluidos el Mikoyan-Gurevich MiG-23 , el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado ADV . A partir de los años 1980, el desarrollo de tales aviones se vio limitado por los avances en la tecnología de control de vuelo y los materiales estructurales que han permitido a los diseñadores adaptar de cerca la aerodinámica y la estructura de la aeronave, eliminando la necesidad de un ángulo de barrido variable para lograr el rendimiento requerido; en su lugar, las alas tienen flaps controlados por computadora en los bordes de ataque y de salida que aumentan o disminuyen la curvatura o la cuerda del ala automáticamente para ajustarse al régimen de vuelo; Esta técnica es otra forma de geometría variable .

Un ala recta y sin flecha experimenta una gran resistencia al avance a medida que se acerca a la velocidad del sonido, debido a la acumulación progresiva de ondas de choque sónicas. Al barrer el ala en un ángulo, ya sea hacia atrás o hacia adelante, se retrasa su aparición y se reduce la resistencia general. Sin embargo, también se reduce la envergadura general de un ala determinada, lo que da lugar a una eficiencia de crucero deficiente y a velocidades elevadas de despegue y aterrizaje.

Un ala fija debe ser un compromiso entre estos dos requisitos. Variar el barrido en vuelo permite optimizarlo para cada fase del vuelo, ofreciendo un avión más pequeño con un mayor rendimiento. Sin embargo, tiene desventajas que deben tenerse en cuenta. A medida que el ala barre, su centro de sustentación se mueve con ella. Se debe incorporar algún mecanismo, como una raíz de ala deslizante o un estabilizador de cola más grande, para compensar los cambios y mantener el vuelo nivelado. El peso adicional de los mecanismos de barrido y compensación reduce las ganancias de rendimiento, mientras que su complejidad aumenta el costo y el mantenimiento.

Al mover los pivotes del ala hacia afuera y barrer solo una parte del ala, se reducen los cambios de ajuste, pero también se reduce la variación en la envergadura y la flexibilidad operativa que la acompaña.

El ingeniero británico Barnes Wallis desarrolló una configuración de aeronave radical para el vuelo a alta velocidad, que consideró distinta del avión de ala fija convencional y la llamó aerodino controlado por el ala. Su trabajo previo sobre la estabilidad de los dirigibles le había impresionado por las altas fuerzas de control que se podían ejercer sobre el cuerpo de una aeronave, mediante deflexiones muy pequeñas. Concibió un fuselaje ictioideo (similar a un pez) simple con un ala variable. No se necesitaban otras superficies de control. Los movimientos sutiles de las alas podían inducir las pequeñas deflexiones que controlaban la dirección del vuelo, mientras que el equilibrio se mantenía ajustando el ángulo de barrido para compensar la posición variable del centro de sustentación a diferentes velocidades. ^{[1] [2]}

Para el vuelo supersónico, un cuerpo sustentador en forma de delta es más adecuado que un simple ictioide. También surge un conflicto entre el ángulo de flecha del ala necesario para el equilibrio y el ángulo óptimo para el vuelo supersónico. Wallis resolvió este problema desplazando masas, normalmente los motores, hacia las puntas de las alas y haciéndolos girar a medida que las alas se desplazaban para mantener la línea de empuje. En la condición asimétrica de motor fuera de servicio, los motores restantes podrían girarse para desviar la línea de empuje más cerca del centro de presión y reducir la asimetría a niveles manejables. ^[1]

No es necesario barrer las alas de babor y estribor en el mismo sentido: una puede barrerse hacia atrás y la otra hacia adelante, como en el ala oblicua .

Variar el barrido asimétricamente en pequeñas cantidades también era fundamental para el principio del aerodino controlado por alas.

El primer uso del barrido variable fue para equilibrar el avión para un vuelo nivelado. El Westland-Hill Pterodactyl IV de 1931 era un diseño sin cola cuyas alas ligeramente en flecha podían variar su barrido en un pequeño ángulo durante el vuelo. ^[3] Esto permitía el ajuste longitudinal en ausencia de un estabilizador horizontal separado. ^[4] El concepto se incorporaría más tarde en el aerodino controlado por alas de Barnes Wallis. ^[5]

Durante la Segunda Guerra Mundial , los investigadores de la Alemania nazi descubrieron las ventajas del ala en flecha para el vuelo transónico, y también sus desventajas a velocidades más bajas. El Messerschmitt Me P.1101 fue un caza a reacción experimental que se desarrolló, en parte, para investigar los beneficios de variar el barrido del ala. ^[6] Su mecanismo de ángulo de barrido, que solo podía ajustarse en tierra entre tres posiciones separadas de 30, 40 y 45 grados, estaba destinado únicamente a pruebas y no era adecuado para operaciones de combate. ^[6] Sin embargo, para el Día de la Victoria en Europa , el único prototipo solo estaba completo en un 80 por ciento. ^{[7] [8]}

Tras el final del conflicto, el P.1101 parcialmente completo fue recuperado y transportado a los Estados Unidos , donde fue estudiado en profundidad por Bell Aircraft . Sin embargo, debido a la falta de documentación, así como a algunos daños estructurales sufridos, ^{[9] [8]} Bell decidió no completar el avión en sí. En su lugar, se construyó una copia cercana, conocida como Bell X-5 , con alas que permitían alterar el ángulo de flecha en pleno vuelo. A medida que el ala se inclinaba hacia atrás, la raíz también se deslizaba hacia adelante, manteniendo el centro de sustentación en una posición constante. ^[10] Un ala de flecha variable de este tipo deslizante voló en el prototipo Grumman XF10F Jaguar en 1952. Sin embargo, las pruebas de vuelo del F10F resultaron ser inaceptables, aunque por otros factores como la falta de potencia del motor y problemas considerables de controlabilidad. ^{[11] [12]}

A finales de los años 1940, el ingeniero británico L. E. Baynes comenzó a estudiar el ala de flecha variable. Ideó un método para variar también la geometría de la cola con el fin de estabilizar el centro de sustentación; no era necesario ningún mecanismo deslizante, sino que la estela del ala interactuaba con la cola variable para efectuar los cambios de compensación necesarios. Durante 1949 y 1951, Baynes presentó solicitudes de patente asociadas con este trabajo. ^{[13] [14]} Aunque el diseño llegó a la etapa de modelado físico y fue sometido a una ronda completa de pruebas en el túnel de viento, el gobierno británico no proporcionó respaldo financiero para el trabajo, supuestamente debido a las limitaciones presupuestarias de la época . ^{[ cita requerida ]}

Independientemente de Baynes, el ingeniero británico Barnes Wallis también estaba desarrollando un concepto de geometría variable más radical, al que llamó aerodino controlado por el ala, para maximizar la economía del vuelo a alta velocidad. Su primer estudio fue el proyecto Wild Goose. ^[5] Posteriormente, Barnes ideó el Swallow , ^[5] un avión sin cola de ala combinada , que se concibió para ser capaz de realizar vuelos de ida y vuelta entre Europa y Australia en diez horas. Más tarde, el Swallow fue visto cada vez más como un posible sucesor supersónico del subsónico Vickers Valiant , uno de los bombarderos V de la RAF . ^[15] Durante la década de 1950, varios modos del Swallow fueron sometidos a pruebas prometedoras, incluido un modelo a escala de seis pies , a velocidades de hasta Mach 2. Sin embargo, en 1957, el gobierno británico decidió retirar el respaldo a muchos programas aeronáuticos, incluido el trabajo de Wallis. ^{[16] [15]}

A pesar de esta falta de respaldo, el Swallow atrajo la atención internacional durante algún tiempo. A finales de 1958, los esfuerzos de investigación se reactivaron temporalmente a través de la cooperación con el Programa de Desarrollo de Armas Mutuas de la OTAN , bajo el cual toda la investigación de geometría variable de Wallis se compartió con los estadounidenses. ^[15] Según el autor de aviación James R. Hansen, el ingeniero aeroespacial estadounidense John Stack estaba entusiasmado con el concepto, al igual que numerosos ingenieros de la NASA ; sin embargo, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos se opuso a comprometer recursos para el proyecto. ^[17] Wallis colaboró ​​​​con el Laboratorio Langley de la NASA en un estudio de diseño para un caza de barrido variable. Aunque utilizó el mecanismo de pivote que había desarrollado, la NASA también insistió en implementar un estabilizador horizontal convencional para aliviar los problemas de equilibrio y maniobrabilidad. Aunque ya no era el aerodino controlado por alas que Wallis imaginaba, demostraría ser una solución más práctica que la suya o la de Bell. La investigación del Swallow condujo a varias configuraciones nuevas, incluida la adopción de una sección de cola plegable compacta y canards . ^[18]

El trabajo de Barnes inspiró una serie de estudios posteriores, incluyendo un aerodino controlado por ala en respuesta a OR.346 para un cazabombardero STOL supersónico, luego como BAC dos presentaciones más: el Tipo 583 para cumplir con Naval ER.206 y el Tipo 584 para cumplir con NATO NBMR.3, ambos también siendo requisitos V/STOL. ^[1] En 1960, Maurice Brennan se unió a Folland Aircraft como su ingeniero jefe y director; pronto se dedicó a aprovechar su experiencia con alas de geometría variable. ^[19] En consecuencia, dicha ala se combinó con el caza ligero Folland Gnat de la empresa para dos conceptos diferentes, uno sin cola y otro con cola convencional, para un caza/ataque/entrenador multipropósito, designado como Fo. 147. Tenía un mecanismo único para el barrido del ala que combinaba pistas en los lados del fuselaje y la parte inferior de las alas, que se accionaba mediante tornillos de bolas accionados hidráulicamente colocados en los extremos internos del ala. ^[20] Las alas podían barrer desde 20 grados a 70 grados; en la posición de 70 grados, el control longitudinal se mantenía mediante elevones montados en la punta del ala , mientras que esto era proporcionado por un arreglo de canard retráctil cuando se barría en la posición de 20 grados, utilizando autoestabilización completa . Al proporcionar la funcionalidad de ajuste a través del canard, se eliminó la necesidad de un gran plano de cola. ^[21] Se afirmó que el Fo. 147 había sido capaz de alcanzar velocidades superiores a Mach 2, estando limitado por la acumulación de calor generada por el vuelo a alta velocidad. ^[22] En última instancia, el concepto no se desarrollaría hasta la etapa de prototipo mientras la RAF mostró poco interés en el posible entrenador de geometría variable. ^[22]

Durante la década de 1960, comenzaron los primeros programas para producir aviones de barrido variable de producción en masa. En Estados Unidos, se desarrolló una configuración de este tipo para el programa TFX (Tactical Fighter Experimental), que dio como resultado el desarrollo del General Dynamics F-111 , un avión bimotor de gran tamaño destinado a desempeñar múltiples funciones. ^{[23] [24]} El F-111 es el primer avión de producción en contar con un ala de geometría variable y, junto con otros sistemas como el radar de seguimiento del terreno y los motores de turbofán equipados con postcombustión , fueron tecnologías innovadoras para la época. ^{[25] [26]}

A pesar de esta ventaja en el campo, el desarrollo del F-111 fue prolongado; las pruebas de vuelo del modelo F-111A solo terminaron en 1973. ^[27] Durante 1968, se descubrieron grietas en los puntos de sujeción del ala del F-111 , el problema también se ha atribuido a la pérdida de un F-111 en el año siguiente. ^[28] En consecuencia, los puntos de sujeción se rediseñaron estructuralmente y se sometieron a pruebas intensivas tanto del diseño como de la calidad de fabricación. ^[29] El F-111B, destinado a la Armada de los EE. UU ., fue cancelado en 1968 debido a los problemas de peso y rendimiento de la aeronave, así como a sus deficiencias para los requisitos de combate del servicio. ^{[30] [31]} Varias variantes, como el modelo de bombardero estratégico FB-111A , presentaban alas alargadas para brindar un mayor alcance y capacidad de carga. ^[32] El ala del F-111 contaba con pilones pivotantes (dos debajo de cada ala) que se ajustaban automáticamente al ángulo de flecha. Los aviones de ala oscilante posteriores, como el Panavia Tornado y el Sukhoi Su-24 , también estarían equipados de manera similar. ^{[ cita requerida ]}

En la Unión Soviética , los planificadores militares también habían formulado requisitos similares, lo que llevó a TsAGI , la oficina de aerodinámica soviética, a realizar estudios exhaustivos sobre alas de geometría variable. TsAGI desarrolló dos diseños distintos, que se diferenciaban principalmente en la distancia (expresada como un porcentaje de la envergadura total ) entre los pivotes del ala. Al adoptar un espaciado más amplio, esto no solo redujo los efectos aerodinámicos negativos del cambio de flecha del ala, sino que también proporcionó una sección de ala fija más grande que podría usarse para tren de aterrizaje o pilones de almacenamiento . De hecho, esto podría adaptarse a fuselajes más o menos existentes, lo que los soviéticos hicieron en consecuencia, como con el Sukhoi Su-17 (basado en el anterior Sukhoi Su-7 de ala en flecha ). Sin embargo, la limitación del amplio espaciado fue que redujo los beneficios de la geometría variable tanto como redujo sus dificultades técnicas. ^{[ cita requerida ]}

Por ello, la producción de nuevos diseños soviéticos "desde cero" seguía siendo deseable. Para ello, TsAGI ideó una disposición más estrecha, similar a la del F-111. Este diseño se utilizó, aunque a diferentes escalas, para el caza Mikoyan-Gurevich MiG-23 y el bombardero táctico Sukhoi Su-24, ambos de los cuales volaron en forma de prototipo a finales de los años 1960 y entraron en servicio a principios de los años 1970. Durante 1962, el equipo de diseño de Tupolev, reconociendo que había margen de mejora en el bombardero Tupolev Tu-22 recientemente presentado , comenzó a trabajar en un derivado ampliamente rediseñado que incorporaba un ala de geometría variable, destinada a solucionar las pobres características de manejo del Tu-22 más que a reforzar su eficiencia a altas velocidades. ^{[33] [34]} En 2014, ^[actualizar]más de 100 bombarderos estratégicos Tupolev Tu-22M están en uso. ^[35]

A finales de los años 1950 y principios de los 1960, Gran Bretaña estaba desarrollando el BAC TSR-2 , un bombardero estratégico supersónico de bajo nivel. Las variantes posteriores del tipo habrían sido equipadas con alas de geometría variable. ^[36] Sin embargo, el 1 de abril de 1965, el desarrollo del TSR-2 se terminó durante la fase de pruebas de vuelo principalmente debido a los crecientes costos del programa. ^{[37] [38]} Para reemplazar al TSR-2, el Ministerio del Aire inicialmente colocó una opción para el General Dynamics F-111K estadounidense ; ^{[39] [40]} mientras que el F-111K fue promocionado como más barato, ^[41] este también fue terminado durante enero de 1968 por razones de costo. ^[42]

Tras la cancelación del TSR-2, BAC trasladó su trabajo de geometría variable a Warton, donde presentó el avión de ataque/entrenamiento ligero P.45 a AST 362. Este trabajo alimentó un programa conjunto anglo-francés para desarrollar un avión de ataque de geometría variable : el Anglo French Variable Geometry Aircraft (AFVG). Este avión multifunción iba a estar equipado con un ala de geometría variable y estaba destinado a realizar las funciones de ataque , reconocimiento e interceptor . ^{[43] [44]} Sin embargo, ya en 1966, el fabricante de aviones francés Dassault comenzó a socavar activamente el AFVG, ya que estaba trabajando en dos proyectos internos en competencia: el Mirage G de geometría variable y el Mirage F1 . ^[45] Según el autor de aviación Derek Wood, tanto Dassault como la Fuerza Aérea Francesa eran participantes poco entusiastas en el AFVG, el primero queriendo perseguir su propio avión de geometría variable autóctono, mientras que el segundo había determinado que el tipo no se alineaba con sus planes de equipamiento futuros. ^[44] En junio de 1967, el gobierno francés anunció su retirada del proyecto AFVG, aparentemente por razones de coste. ^{[N 1] [47]}

A pesar del colapso del programa AFVG, el diseño fue renovado por BAC para convertirlo en un avión de geometría variable más grande y orientado al ataque. Se emitieron contratos de tenencia a BAC para apoyar el proyecto, que había sido redesignado como el avión de Geometría Variable del Reino Unido (UKVG). ^{[48] [49]} En noviembre de 1967, BAC publicó un folleto sobre la propuesta UKVG; se emitirían varias propuestas para cubrir el uso de múltiples motores diferentes. También se planteó la rápida producción de un avión de demostración, propulsado por un par de motores turbofán Rolls-Royce/MAN Turbo RB153 . ^[49] Como la financiación exclusiva del UKVG no era realista, el gobierno británico buscó socios dentro de sus compañeros miembros de la OTAN, ^{[N 2]} promoviendo el concepto de desarrollar y adquirir un avión de ataque común de la OTAN. En julio de 1968, se firmó un memorando de entendimiento entre Gran Bretaña, Alemania Occidental , Italia , los Países Bajos , Bélgica y Canadá . ^[51] Este memorándum condujo finalmente al lanzamiento del proyecto multinacional Multi-Role Combat Aircraft (MRCA), que produjo con éxito un avión de geometría variable para misiones de ataque, reconocimiento e intercepción en la forma del Panavia Tornado. ^{[50] [52] [53]}

Tras el esfuerzo de la AFVG, Dassault Aviation construyó un prototipo de caza, el Mirage G, completando dos aviones, el Mirage G4 y el G8, en 1968. ^[54] Además, Dassault también trabajó en cooperación con el interés manufacturero estadounidense Ling-Temco-Vought para desarrollar el LTV V-507 , que se presentó para el proyecto de efectos visuales de la Marina de los EE. UU . ^[55] A partir de las presentaciones de efectos visuales, la Marina de los EE. UU. adquirió el Grumman F-14 Tomcat para reemplazar al interceptor de flota F-111B cancelado durante la década de 1970. El F-14 era un caza más ágil que el F-4 Phantom II y, a diferencia del F-111, sus alas de barrido variable se ajustaban automáticamente sobre su rango de velocidad y podían moverse incluso durante los giros. Además, las alas podían barrerse hacia adelante para giros cerrados de "murciélago" en combate aéreo a corta distancia, así como hacia atrás para velocidades de sprint. ^{[56] [57]}

Rockwell adoptó la geometría variable para el programa de Bombarderos Estratégicos Tripulados Avanzados (AMSA) mucho más grande que produjo el bombardero B-1 Lancer , destinado a proporcionar una combinación óptima de eficiencia de crucero de alta velocidad y velocidades de penetración supersónicas rápidas a un nivel extremadamente bajo. Las alas de barrido variable del B-1 proporcionan un nivel relativamente alto de sustentación durante el despegue y el aterrizaje, al mismo tiempo que generan poca resistencia durante una carrera a alta velocidad. ^[58] Cuando las alas se colocaron en su posición más ancha, la aeronave tenía una sustentación y una potencia considerablemente mejores que el B-52, lo que le permitía operar desde una variedad mucho más amplia de bases. ^[58] Rockwell presentó su propuesta en enero de 1970, compitiendo con las ofertas de Boeing y General Dynamics. ^{[59] [60]} El desarrollo del B-1 fue autorizado en octubre de 1981 como una solución provisional entre el cada vez más vulnerable B-52 y el más capaz Bombardero de Tecnología Avanzada (ATB). ^{[58] [61]} La capacidad operativa inicial se alcanzó el 1 de octubre de 1986 y el B-1B fue puesto en estado de alerta nuclear. ^{[62] [63]}

La Unión Soviética también optó por desarrollar un gran bombardero estratégico equipado con alas de geometría variable. A principios de la década de 1970, el diseño de Tupolev, que inicialmente se denominó Aircraft 160M , presentaba un diseño de ala combinada alargada e incorporaba algunos elementos del Tu-144 , compitiendo contra los diseños Myasishchev M-18 y Sukhoi T-4 . ^[64] Designado como Tupolev Tu-160 , entró en servicio operativo con el 184.º Regimiento de Bombarderos Pesados ​​de la Guardia ubicado en la Base Aérea Pryluky , República Socialista Soviética de Ucrania , durante abril de 1987. ^[65] El avión es el avión de combate más grande y pesado, el bombardero más rápido en uso y el avión de ala de barrido variable más grande y pesado que haya volado hasta 2020. ^[66]

Un ala de barrido variable fue seleccionada como el diseño ganador utilizado por Boeing en el estudio de la FAA para un transporte supersónico , el 2707. Sin embargo, evolucionó a través de varias configuraciones durante la etapa de diseño, finalmente agregando un canard, y finalmente quedó claro que el diseño sería tan pesado que carecería de suficiente carga útil para el combustible necesario. El diseño fue abandonado más tarde a favor de un ala delta con cola más convencional . ^[67]

La aparición de sistemas de control de vuelo de estabilidad relajada en la década de 1970 eliminó muchas de las desventajas de la configuración de ala fija. Desde el Tu-160 no se ha construido ningún avión con ala de barrido variable.

En 2015, el Ministerio de Defensa ruso anunció planes para reiniciar la producción del Tu-160, citando el envejecimiento del avión actual y el probable desarrollo prolongado de su eventual reemplazo, el proyecto PAK DA . ^[68] La producción se reinició en 2021, lo que marca los primeros fuselajes nuevos de barrido variable que se producen en 29 años. ^{[69] [70]}

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