Vuelo vertical

Una aeronave de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ) es una que puede despegar y aterrizar verticalmente sin depender de una pista . Esta clasificación puede incluir una variedad de tipos de aeronaves, incluidos helicópteros , así como aeronaves de ala fija con vectorización de empuje y otras aeronaves híbridas con rotores propulsados , como ciclogiros/ciclocópteros y girodinos . ^[1]

Algunas aeronaves VTOL también pueden operar en otros modos, como CTOL (despegue y aterrizaje convencional), STOL (despegue y aterrizaje corto) o STOVL (despegue y aterrizaje corto). Otras, como algunos helicópteros, solo pueden operar como VTOL, debido a que la aeronave carece de un tren de aterrizaje que pueda realizar el rodaje . VTOL es un subconjunto de V/STOL (despegue y aterrizaje vertical o corto).

Algunas aeronaves más ligeras que el aire también califican como aeronaves VTOL, ya que pueden flotar, despegar y aterrizar con perfiles de aproximación/salida verticales. ^[2]

Se están desarrollando aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje verticales, o eVTOL , junto con tecnologías de control de vuelo más autónomas y movilidad como servicio (MaaS) para permitir la movilidad aérea avanzada (AAM), que podría incluir servicios de taxi aéreo a pedido, movilidad aérea regional, entrega de carga y vehículos aéreos personales (PAV). ^[3]

Además de los omnipresentes helicópteros, actualmente hay dos tipos de aviones VTOL en servicio militar: aviones de rotor basculante , como el Bell Boeing V-22 Osprey , y aviones con vectorización de empuje, como la familia Harrier y el nuevo F-35B Lightning II Joint Strike Fighter (JSF). En el sector civil, actualmente solo se utilizan helicópteros (se han propuesto otros tipos de aviones VTOL comerciales que están en desarrollo a partir de 2017 ^[actualizar]). En términos generales, los aviones VTOL capaces de STOVL lo utilizan siempre que sea posible, ya que generalmente aumenta significativamente el peso de despegue, el alcance o la carga útil en comparación con los VTOL puros. ^[4]

La idea del vuelo vertical existe desde hace miles de años y en el cuaderno de bocetos de Leonardo da Vinci aparecen bocetos de un VTOL (helicóptero) . Los primeros aviones VTOL tripulados, en forma de helicópteros primitivos, volaron en 1907, pero no se perfeccionaron hasta después de la Segunda Guerra Mundial. ^{[5] [6]}

Además del desarrollo de helicópteros , se han probado muchos enfoques para desarrollar aeronaves prácticas con capacidades de despegue y aterrizaje verticales, incluido el avión de ala fija de rotor horizontal experimental de Henry Berliner de 1922-1925, y la patente de 1928 de Nikola Tesla y la patente de 1930 de George Lehberger para aviones de ala fija VTOL relativamente poco prácticos con motores basculantes. ^{[7] [8] [9]} A fines de la década de 1930, el diseñador de aviones británico Leslie Everett Baynes recibió una patente para el Baynes Heliplane, otra aeronave de rotor basculante. En 1941, el diseñador alemán Heinrich Focke comenzó a trabajar en el Focke-Achgelis Fa 269 , que tenía dos rotores que se inclinaban hacia abajo para el despegue vertical, pero los bombardeos en tiempos de guerra detuvieron el desarrollo. ^[9]

En mayo de 1951, tanto Lockheed como Convair obtuvieron contratos para diseñar, construir y probar dos cazas VTOL experimentales. Lockheed produjo el XFV y Convair produjo el Convair XFY Pogo . Ambos programas experimentales pasaron a la fase de vuelo y completaron vuelos de prueba entre 1954 y 1955, cuando se cancelaron los contratos. ^[10] De manera similar, el Ryan X-13 Vertijet realizó una serie de vuelos de prueba entre 1955 y 1957, pero también sufrió el mismo destino. ^[11]

El uso de ventiladores verticales accionados por motores se investigó en la década de 1950. Estados Unidos construyó un avión en el que el escape del reactor accionaba los ventiladores , mientras que los proyectos británicos que no se construyeron incluían ventiladores accionados por accionamientos mecánicos de los motores a reacción. ^{[ cita requerida ]}

La NASA ha volado otras naves VTOL como la nave de investigación Bell XV-15 (1977), al igual que la Marina Soviética y la Luftwaffe . Sikorsky probó un avión llamado X-Wing , que despegaba como un helicóptero. Los rotores se quedaban estacionarios en pleno vuelo y funcionaban como alas, proporcionando sustentación además de las alas estáticas. El Boeing X-50 es un prototipo de rotor/ala Canard que utiliza un concepto similar. ^[12]

Otro proyecto británico de despegue y aterrizaje con motor VTOL fue el girodino , en el que se propulsa un rotor durante el despegue y el aterrizaje, pero que luego gira libremente durante el vuelo, con motores de propulsión separados que proporcionan empuje hacia adelante. A partir del Fairey Gyrodyne , este tipo de avión evolucionó más tarde hasta convertirse en el Fairey Rotodyne , un avión bimotor mucho más grande que utilizaba tipjets para impulsar el rotor durante el despegue y el aterrizaje, pero que luego utilizaba dos turbohélices Napier Eland que impulsaban hélices convencionales montadas en alas sustanciales para proporcionar propulsión, y las alas servían para descargar el rotor durante el vuelo horizontal. El Rotodyne se desarrolló para combinar la eficiencia de un avión de ala fija en crucero con la capacidad VTOL de un helicóptero para proporcionar un servicio de avión de pasajeros de corta distancia desde los centros urbanos hasta los aeropuertos.

El CL-84 Dynavert fue un monoplano canadiense de ala basculante con turbina V/STOL diseñado y fabricado por Canadair entre 1964 y 1972. El gobierno canadiense ordenó tres CL-84 actualizados para evaluación militar en 1968, designados CL-84-1. De 1972 a 1974, esta versión fue demostrada y evaluada en los Estados Unidos a bordo de los portaaviones USS Guam y USS Guadalcanal , y en varios otros centros. ^[13] Estas pruebas involucraron pilotos militares de los Estados Unidos, el Reino Unido y Canadá. Durante las pruebas, dos de los CL-84 se estrellaron debido a fallas mecánicas, pero no hubo pérdidas de vidas como resultado de estos accidentes. No se firmaron contratos de producción. ^[14]

Aunque los rotores basculantes como el Focke-Achgelis Fa 269 de mediados de la década de 1940 y el Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" de la década de 1950 llegaron a etapas de prueba o maqueta, el Bell-Boeing V-22 Osprey se considera el primer avión de rotor basculante de producción del mundo . Tiene un proprotor de tres palas , un motor turbohélice y una góndola de transmisión montada en cada punta de ala. El Osprey es un avión multimisión con capacidad de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) y de despegue y aterrizaje corto ( STOL ). Está diseñado para realizar misiones como un helicóptero convencional con el rendimiento de crucero de alta velocidad y largo alcance de un avión turbohélice . La FAA clasifica al Osprey como un modelo de avión de sustentación motorizada . ^[15]

En la década de 1960 se intentó desarrollar un avión comercial de pasajeros con capacidad de despegue y aterrizaje vertical. La propuesta del Hawker Siddeley Inter-City Vertical-Lift tenía dos filas de ventiladores de elevación a cada lado. Sin embargo, ninguno de estos aviones llegó a producción después de que se los descartara por ser demasiado pesados ​​y costosos de operar. ^{[16] [ ¿ Fuente poco confiable? ] [17]}

En 2018, Opener Aero demostró un avión VTOL de ala fija propulsado eléctricamente, el Blackfly , que según el fabricante es el primer avión ultraligero de ala fija, totalmente eléctrico, de despegue y aterrizaje vertical del mundo. ^[18]

En el siglo XXI, los drones no tripulados son cada vez más comunes. Muchos de ellos tienen capacidad de despegue y aterrizaje vertical, especialmente los cuadricópteros . ^[19]

En 1947, la Marina de los EE. UU. encargó el Ryan X-13 Vertijet , un diseño de cola de avión , y luego, en 1948, presentó una propuesta para un avión capaz de despegar y aterrizar verticalmente (VTOL) a bordo de plataformas montadas en las cubiertas de popa de los buques convencionales. Tanto Convair como Lockheed compitieron por el contrato, pero en 1950 se revisó el requisito y se solicitó un avión de investigación capaz de evolucionar hasta convertirse en un caza de escolta de convoyes con base en buques con despegue y aterrizaje vertical.

A finales de 1958, el Coléoptère francés SNECMA , un diseño de ala anular con cola de apoyo , realizó su primer vuelo. Sin embargo, el único prototipo fue destruido en su noveno vuelo en 1959 y nunca se consiguió financiación para un segundo prototipo.

Otra contribución funcional temprana más influyente al VTOL fue el Thrust Measuring Rig ("cama voladora") de Rolls-Royce de 1953. Esto condujo a los primeros motores VTOL utilizados en el primer avión VTOL británico, el Short SC.1 (1957), Short Brothers y Harland, Belfast, que usaba cuatro motores de elevación vertical con uno horizontal para el empuje hacia adelante.

El Short SC.1 fue el primer avión de despegue vertical de ala fija británico. El SC.1 fue diseñado para estudiar los problemas del vuelo VTOL y la transición hacia y desde el vuelo hacia adelante. El SC.1 fue diseñado para cumplir con una solicitud de licitación (ER.143T) del Ministerio de Suministros (MoS) para un avión de investigación de despegue vertical emitida en septiembre de 1953. El diseño fue aceptado por el ministerio y se firmó un contrato para dos aviones (XG900 y XG905) para cumplir con la Especificación ER.143D con fecha del 15 de octubre de 1954. El SC.1 también estaba equipado con el primer sistema de control "fly-by-wire" para un avión VTOL. Esto permitía tres modos de control de las superficies aerodinámicas o los controles de la tobera.

El Republic Aviation AP-100 fue un prototipo de caza de ataque nuclear con motor turborreactor General Electric J85 VTOL diseñado por Alexander Kartveli que tenía 3 ventiladores canalizados en el centro de su fuselaje y cola como un posible contendiente para el Programa TFX . ^{[20] [21] [22]} Otro diseño fue el A400 AVS que usaba alas de geometría variable pero se consideró demasiado complicado, sin embargo condujo al desarrollo del AFVG que a su vez ayudó al desarrollo del Panavia Tornado .

El Yakovlev Yak-38 fue un avión VTOL de la Armada Soviética destinado a ser utilizado a bordo de sus portaaviones ligeros, buques de carga y buques capitales. Fue desarrollado a partir del avión experimental Yakovlev Yak-36 en la década de 1970. Antes de que la Unión Soviética se desintegrara, se desarrolló un avión VTOL supersónico como sucesor del Yak-38, el Yak-141 , que nunca entró en producción. ^[23]

En los años 1960 y principios de los 1970, Alemania planeó tres aviones VTOL diferentes. Uno utilizó el Lockheed F-104 Starfighter como base para la investigación de un avión V/STOL . Aunque se construyeron dos modelos (X1 y X2), el proyecto se canceló debido a los altos costos y problemas políticos, así como a los cambios en las necesidades de la Fuerza Aérea Alemana y la OTAN. El EWR VJ 101 C realizó despegues y aterrizajes VTOL libres, así como vuelos de prueba más allá de Mach 1 a mediados y finales de los años 60. Uno de los aviones de prueba se conserva en el Deutsches Museum de Múnich, Alemania, otro en las afueras del aeropuerto de Friedrichshafen. Los otros fueron el avión de combate ligero y de reconocimiento VFW-Fokker VAK 191B y el transporte de tropas Dornier Do 31 E-3. ^[24]

El LLRV fue un simulador de nave espacial para el módulo de aterrizaje lunar Apolo. ^[25] Fue diseñado para imitar las características de vuelo del módulo lunar (LEM), que tenía que depender de un motor de reacción para aterrizar en la Luna.

La idea de utilizar el mismo motor para vuelo vertical y horizontal alterando la trayectoria del empuje fue concebida por Michel Wibault . ^[26] Condujo al motor Bristol Siddeley Pegasus que usaba cuatro toberas giratorias para dirigir el empuje en un rango de ángulos. ^[27] Este fue desarrollado junto con un fuselaje, el Hawker P.1127 , que posteriormente se convirtió en el Kestrel y luego entró en producción como el Hawker Siddeley Harrier , aunque el supersónico Hawker Siddeley P.1154 fue cancelado en 1965. Los franceses en competencia con el P.1154 habían desarrollado una versión del Dassault Mirage III capaz de alcanzar Mach 1. El Dassault Mirage IIIV logró la transición de vuelo vertical a horizontal en marzo de 1966, alcanzando Mach 1.3 en vuelo nivelado poco tiempo después.

El Harrier suele volar en modo STOVL , lo que le permite transportar una mayor carga de combustible o armas a una distancia determinada. ^[4] En modo V/STOL, el avión VTOL se mueve horizontalmente a lo largo de la pista antes de despegar utilizando empuje vertical. Esto le proporciona sustentación aerodinámica así como sustentación de empuje y permite despegar con cargas más pesadas y es más eficiente. Al aterrizar, el avión es mucho más ligero debido a la pérdida de peso del propulsor y es posible un aterrizaje vertical controlado. Un aspecto importante de las operaciones STOL del Harrier a bordo de portaaviones es la cubierta delantera elevada con forma de "salto de esquí", que le da al avión un impulso vertical adicional en el despegue. ^[28]

La portada de marzo de 1981 de Popular Science mostraba tres ilustraciones para su artículo de portada "Motor basculante V/STOL: acelera como un avión, aterriza como un helicóptero"; ^[29] una historia de seguimiento fue parte de la edición de abril de 2006 que mencionaba "los problemas de consumo de combustible y estabilidad que plagaron los aviones/helicópteros anteriores". ^[30]

Retirado de la Marina Real Británica en 2006, ^[31] la Armada de la India continuó operando Sea Harriers hasta 2016, ^[32] principalmente desde su portaaviones INS  Viraat . La última versión del Harrier, el BAE Harrier II , fue retirado en diciembre de 2010 después de ser operado por la Real Fuerza Aérea Británica y la Marina Real. El Cuerpo de Marines de los Estados Unidos y las armadas italiana y española continúan usando el AV-8B Harrier II , una variante estadounidense-británica. Reemplazando al Harrier II/AV-8B en las armas aéreas de los EE. UU. y el Reino Unido está la variante STOVL del Lockheed Martin F-35 Lightning II , el F-35B. ^[33]

SpaceX desarrolló varios prototipos del Falcon 9 para validar varios aspectos de ingeniería de baja altitud y baja velocidad de su programa de desarrollo de sistemas de lanzamiento reutilizables . ^[34] El primer prototipo, Grasshopper, realizó ocho vuelos de prueba ^[35] exitosos en 2012-2013. Hizo su octavo y último vuelo de prueba el 7 de octubre de 2013, volando a una altitud de 744 metros (2441 pies) antes de realizar su octavo aterrizaje VTVL exitoso. ^{[36] [37]} Esta fue la última prueba programada para la plataforma Grasshopper; a continuación se realizarán pruebas a baja altitud del vehículo de desarrollo Falcon 9 Reutilizable (F9R) en Texas, seguidas de pruebas a gran altitud en Nuevo México.

El 23 de noviembre de 2015, el cohete propulsor New Shepard de Blue Origin realizó el primer aterrizaje vertical exitoso después de un vuelo de prueba suborbital no tripulado que alcanzó el espacio. ^[38] El 21 de diciembre de 2015, la primera etapa del Falcon 9 de SpaceX realizó un aterrizaje exitoso después de impulsar 11 satélites comerciales a la órbita terrestre baja en el vuelo 20 del Falcon 9. ^[39] Estas demostraciones abrieron el camino para reducciones sustanciales en los costos de los vuelos espaciales. [ ^40]

La forma de vuelo VTOL del helicóptero le permite despegar y aterrizar verticalmente, mantenerse en vuelo estacionario y volar hacia adelante, hacia atrás y lateralmente. Estos atributos permiten que los helicópteros se utilicen en áreas congestionadas o aisladas donde las aeronaves de ala fija normalmente no podrían despegar o aterrizar. La capacidad de mantenerse en vuelo estacionario de manera eficiente durante períodos prolongados de tiempo se debe a las palas del rotor relativamente largas y, por lo tanto, eficientes del helicóptero, y le permite realizar tareas que las aeronaves de ala fija y otras formas de aeronaves de despegue y aterrizaje verticales no podían realizar al menos tan bien hasta 2011 .

Por otra parte, las palas largas del rotor restringen la velocidad máxima a alrededor de 250 millas por hora (400 km/h) al menos en los helicópteros convencionales, ya que el retroceso de las palas provoca inestabilidad lateral.

Los autogiros también se conocen como autogiros o girocópteros. El rotor no tiene motor y gira libremente en el flujo de aire a medida que la nave avanza, por lo que necesita un motor convencional para proporcionar empuje. Un autogiro no es intrínsecamente capaz de realizar aterrizajes verticales: para un aterrizaje vertical, el rotor debe acelerarse mediante un motor auxiliar, y el aterrizaje vertical requiere un control preciso del momento y el paso del rotor.

Los girodinos también se conocen como helicópteros compuestos o autogiros compuestos. Un girodino tiene el rotor propulsado de un helicóptero con un sistema de empuje hacia adelante separado de un autogiro. Además de las funciones de despegue y aterrizaje, el rotor puede no tener propulsión y girar automáticamente. Los diseños también pueden incluir alas cortas para mayor sustentación.

Un ciclogiro o ciclocóptero tiene un ala giratoria cuyo eje y superficies permanecen laterales a través del flujo de aire, como en un ala convencional.

Existen varios diseños para lograr la sustentación motorizada, y algunos diseños pueden utilizar más de uno. Existen muchos diseños experimentales que tienen características de diseño únicas para lograr la sustentación motorizada.

Un convertiplano despega con sustentación de rotor como un helicóptero y luego pasa a sustentación de ala fija en vuelo hacia adelante. Algunos ejemplos de esto incluyen el Bell Boeing V-22 Osprey

Un rotor basculante o proprotor inclina sus hélices o rotores verticalmente para un vuelo VTOL y luego los inclina hacia adelante para un vuelo horizontal con alas, mientras que el ala principal permanece fija en su lugar.

Similar al concepto de rotor basculante, pero con ventiladores canalizados , como se puede ver en el Bell X-22 .

Un avión de alas inclinadas tiene sus hélices o rotores fijados a un ala convencional e inclina todo el conjunto para realizar la transición entre el vuelo vertical y el horizontal.

Un tail-sitter se sienta verticalmente sobre su cola para despegar y aterrizar, luego inclina todo el avión hacia adelante para el vuelo horizontal.

La vectorización del empuje es una técnica que se utiliza en motores a reacción y cohetes, en la que se varía la dirección del escape del motor. En los VTOL, el escape puede variar entre empuje vertical y horizontal.

Similar al concepto de rotor basculante, pero con motores turborreactores o turbofán en lugar de con hélices.

Un motor a reacción es un motor a reacción auxiliar que se utiliza para proporcionar sustentación en operaciones VTOL, pero que puede apagarse para vuelos normales con alas. El Yak-38 es el único avión de producción que utiliza motores a reacción.

El ventilador de sustentación es una configuración de aeronave en la que los ventiladores de sustentación se ubican en orificios grandes en un ala fija o fuselaje convencional. Se utiliza para operaciones V/STOL.

El avión despega utilizando los ventiladores para generar sustentación y luego pasa a ser un avión de ala fija en vuelo hacia adelante. Se han realizado varios vuelos experimentales, pero solo el F-35 Lightning II entró en producción.

Las aeronaves en las que el VTOL se logra explotando el efecto Coandă son capaces de redirigir el aire de forma muy similar a la vectorización del empuje , pero en lugar de dirigir el flujo de aire a través de un conducto, el flujo de aire simplemente se dirige a lo largo de una superficie existente, que generalmente es el cuerpo de la nave, lo que permite menos material y peso.

El Avro Canada VZ-9 Avrocar , o simplemente VZ-9, fue un avión VTOL canadiense desarrollado por Avro Aircraft Ltd. que utiliza este fenómeno al soplar aire en un área central, luego se dirige hacia abajo sobre la superficie superior, que es parabólica y se asemeja a un platillo volante arqueado . Debido al efecto Coandă, el flujo de aire es atraído hacia la superficie más cercana y continúa moviéndose a lo largo de esa superficie a pesar del cambio en la dirección de la superficie alejándose del flujo de aire. La aeronave está diseñada para dirigir el flujo de aire hacia abajo para proporcionar sustentación.

Jetoptera anunció una propuesta de línea de aeronaves basada en lo que llamó propulsión fluídica que emplea el efecto Coandă. La compañía afirma un número de eficiencia de Oswald de 1,45 para su diseño de ala en forma de caja. Otras afirmaciones incluyen una mayor eficiencia, un peso un 30% menor, una complejidad reducida, hasta 25 dBA menos de ruido (y atonal), alas más cortas y escalabilidad. ^{[41] [42]} Jetoptera dice que su enfoque produce índices de aumento de empuje superiores a 2,0 y un ahorro de combustible del 50% en comparación con un turbofán en condiciones estáticas o en vuelo estacionario. Su eflujo se puede utilizar para arquitecturas de soplado de superficie superior para aumentar el coeficiente de sustentación a valores superiores a 8,0.

• Vuelo de demostración del X-35B, transición a configuración STOVL, despegue vertical, reabastecimiento de combustible en vuelo, vuelo estacionario vertical y aterrizaje
• Demostrador de aterrizaje vertical X-35B

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• La rueda de la desgracia del V/STOL Archivado el 15 de septiembre de 2008 en Wayback Machine – Cronología de los aviones V/STOL Archivado el 14 de julio de 2014 en Wayback Machine , página 5
• "Avión Tiltplane VTOL". ww7.tiltplane.com . Consultado el 29 de abril de 2021 .