El vuelo en formación es el vuelo de múltiples objetos en coordinación. El vuelo en formación ocurre en la naturaleza entre animales voladores y planeadores , y también se lleva a cabo en la aviación humana , a menudo en aviación militar y espectáculos aéreos .
Se han realizado multitud de estudios sobre los beneficios de rendimiento de los aviones que vuelan en formación. [1]
Se sabe que las aves reciben beneficios de rendimiento del vuelo en formación desde hace más de un siglo, a través de la teoría aerodinámica de Wieselsberger en 1914. [1] [2]
Los vuelos en formación en la aviación humana se originaron en la Primera Guerra Mundial , cuando se asignaron aviones de combate para escoltar a los aviones de reconocimiento . [3] Se descubrió que los pares de aviones eran más efectivos en combate que los aviones individuales y, por lo tanto, los aviones militares siempre volarían en formaciones de al menos dos. [3] En la Segunda Guerra Mundial , los pilotos habían descubierto otras ventajas estratégicas del vuelo en formación, como una mayor estabilidad y una visibilidad óptima. [ cita necesaria ]
Es un malentendido común relacionar la reducción de la resistencia en el vuelo organizado con la reducción de la resistencia en el drafting . Sin embargo, son bastante diferentes mecánicamente.
La reducción de la resistencia que se produjo en el dibujo se debe a una reducción en la velocidad del flujo detrás del vehículo que va delante, reduciendo la cantidad que el flujo necesita acelerar para moverse alrededor de la carrocería, reduciendo la presión delante del vehículo que va detrás. Esto conduce a una menor diferencia de presión entre las superficies proyectadas frontal y trasera de la carrocería y, por tanto, a una menor resistencia. Esto también se puede entender de manera un tanto tautológica a través de la ecuación de resistencia común para un cuerpo , donde es el número sin unidades obtenido experimentalmente, es la densidad del medio fluido a través del cual viaja el objeto, es el área de la sección transversal normal a la dirección media del flujo, y es la velocidad del flujo medio. Se puede ver mediante inspección que una disminución en la velocidad media generará menos fuerza de arrastre, como es el caso de la tracción. [ cita necesaria ]
En yuxtaposición, la reducción de la resistencia que sienten los agentes de seguimiento en vuelo en formación puede considerarse más bien como los agentes de seguimiento que "navegan" en los vórtices arrojados por las alas de los agentes líderes, [4] reduciendo la cantidad de fuerza necesaria para permanecer en el aire. Esta fuerza se conoce como sustentación y actúa perpendicular a la dirección del flujo libre y al arrastre. Estos vórtices se conocen como vórtices de las puntas de las alas y están formados por un fluido que fluye alrededor de las puntas de las alas desde la región de alta presión que es la parte inferior del ala hasta la región de baja presión que es la parte superior del ala. El flujo se separa del perfil aerodinámico y gira alrededor de una estela de baja presión que forma el núcleo del vórtice. Este vórtice actúa para cambiar la dirección del flujo de las aeronaves rezagadas, aumentando la sustentación sobre un segmento del ala y permitiendo una reducción en la resistencia inducida al reducir su ángulo de ataque. [5]
Esto también se puede demostrar mediante la ecuación de resistencia y sustentación análoga, . La diferencia ahora es que varían linealmente con el ángulo de ataque , que es el ángulo formado por el eje neutro del avión y el flujo libre. Dado que el flujo local ingresa con un ángulo de ataque mayor debido al vórtice, tanto las fuerzas de sustentación como las de arrastre giran de manera que el vector de fuerza de sustentación genera un empuje hacia adelante y el vector de fuerza de arrastre genera un aumento en la sustentación. Con este aumento en la fuerza de sustentación, el ángulo de ataque se puede reducir para mantener la sustentación objetivo necesaria para mantener una altitud mientras se navega, lo que provoca una reducción en la resistencia inducida ya que la resistencia y la sustentación son función de los coeficientes y . [ cita necesaria ]
Por lo general, se observa que las aves vuelan en formaciones en forma de V o formaciones en forma de J , estas últimas comúnmente conocidas como escalonadas. El primer estudio que intentó cuantificar el ahorro de energía de una gran bandada de pájaros fue Lissaman & Schollenberger [6] , quienes proporcionaron la primera estimación, aunque notablemente defectuosa, [1] para una bandada de pájaros de 25 miembros. Se informó de una impresionante extensión del rango del 71% en relación con el vuelo de un solo pájaro. Estas extensiones reportadas generalmente se deben al uso de una aproximación de ala fija. Haffner (1977) experimentó con aves volando en túneles de viento y calculó una extensión de alcance de un valor más conservador del 22%. [7] [1]
Se han realizado estudios sobre la fase de aleteo y se ha descubierto que las aves que vuelan en forma de V coordinan su aleteo, mientras que las que vuelan en forma escalonada no lo hacen. Willis et al (2007) encontraron que la fase óptima de los flaps representa el 20% del ahorro de energía, lo que sugiere que el posicionamiento es más importante que el almacenamiento en caché perfecto del vórtice que se aproxima. [8] [1]
Los estudios con aves han demostrado que la formación en V puede mejorar en gran medida la eficiencia aerodinámica general al reducir la resistencia y, por lo tanto, aumentar el rango de vuelo. [9]
Los enjambres de insectos son un comportamiento animal colectivo que es un área de investigación activa para la aplicación de drones. La característica única de los enjambres de insectos es su vuelo sin líder pero organizado. En un estudio de velocimetría de imágenes de partículas de 10 mosquitos realizado por Kelley y Ouellette (2013), los límites del enjambre son estadísticamente consistentes a pesar de que el vuelo de los insectos dentro del enjambre es prácticamente asincrónico. También hay cierta sugerencia de agrupamiento, lo que implica que puede haber algún comportamiento de autoorganización. [10]
La unidad más pequeña de una formación se denomina sección o elemento, y consta de dos aeronaves; Estos pilotos son líderes y compañeros. Una división o vuelo consta de dos secciones o elementos. Múltiples divisiones o vuelos se reúnen en una formación. [11] : 6 Una formación de caza estándar incluye aviones cuyas posiciones son mantenidas por los pilotos de ala dentro de 1 mi (1,6 km) lateralmente y 100 pies (30 m) verticalmente del avión del líder de vuelo. [11] : 8 Una formación no estándar resulta cuando el líder de vuelo lo ha solicitado y el control de tránsito aéreo ha aprobado dimensiones que no se ajustan a los límites establecidos; cuando opere dentro de una reserva de altitud autorizada o bajo las disposiciones de una Carta de Acuerdo; o cuando las operaciones de vuelo se realicen en un espacio aéreo especialmente designado. [11] : 9
La yema del dedo cuatro (o dedo cuatro ) es la formación básica de cuatro barcos que se asemeja a la posición de las yemas de los dedos con la mano extendida. El líder de vuelo (#1) está pilotando el avión más adelantado (dedo medio), con el compañero del líder (#2) a un lado y detrás (dedo índice); el líder de la sección (#3) está opuesto al compañero del líder en el lado opuesto (punta del dedo anular), mientras que el compañero del líder de la sección (#4) está siguiendo al líder de la sección hacia el mismo lado (punta del dedo meñique). La formación de la punta de los dedos se denomina derecha fuerte o izquierda fuerte , dependiendo del lado en el que vuela la aeronave de la sección (n.° 3 y n.° 4). [11] : 17 Por ejemplo, visto desde arriba, la fuerte formación derecha de la punta de los dedos de izquierda a derecha consta del n.° 2 (compañero de ala líder), n.° 1 (líder de vuelo), n.° 3 (líder de sección) y n.° 4 ( piloto de ala del líder de sección).
El líder de vuelo debe decidir y comunicar qué orientación, punta del dedo derecha o punta del dedo izquierda , debe usarse como formación básica antes de las operaciones de vuelo. Las formaciones deben hacer una transición hacia y desde la formación básica para facilitar el uso de señales manuales y aéreas. [11] : 17
En la aviación militar, el vuelo en formación táctica es el vuelo disciplinado de dos o más aviones bajo el mando de un líder de vuelo. [11] : 6 Los pilotos militares utilizan formaciones tácticas para la defensa mutua y la concentración de potencia de fuego. [12] : Artículo 17.01
El desafío de lograr vuelos seguros en formación mediante vehículos aéreos no tripulados ha sido investigado exhaustivamente en el siglo XXI con sistemas de aeronaves y naves espaciales. Para los vehículos aéreos, las ventajas de realizar vuelos en formación incluyen el ahorro de combustible, [13] una mayor eficiencia en el control del tráfico aéreo y la asignación cooperativa de tareas. Para los vehículos espaciales, un control preciso del vuelo en formación puede permitir futuros telescopios espaciales de gran apertura, interferómetros espaciales de línea de base variable , encuentros y acoplamientos autónomos y ensamblaje robótico de estructuras espaciales. [ cita necesaria ] Una de las formaciones más simples utilizadas es donde los aviones autónomos mantienen la formación con un avión líder que puede ser autónomo. [14]
En la aviación civil, el vuelo en formación se realiza en espectáculos aéreos o con fines recreativos . Se utiliza para mejorar la técnica de vuelo y también como actividad prestigiosa de antiguas organizaciones de aviación. Representa la habilidad más desafiante de volar cerca de otro avión. Los vuelos en formación propusieron reducir el uso de combustible minimizando la resistencia. [15]
A principios de la década de 2000, el programa de Vuelo Autónomo en Formación de la NASA utilizó un par de F/A-18 . En 2013, el proyecto Surfing Aircraft Vortices for Energy del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea mostró un ahorro de combustible del 10 al 15%, instalado en dos Boeing C-17 Globemaster III . En 2017, la NASA midió entre un 8% y un 10% menos de flujo de combustible con dos aviones Gulfstream III en vuelos de prueba de wakesurf. En 2018, el consumo de combustible del ecoDemonstrator , un carguero Boeing 777F de FedEx Express , se redujo entre un 5% y un 10% y el piloto automático mantuvo la separación de 4000 pies (1,2 km) según la información de ADS-B y TCAS . [dieciséis]
Aprovechando la estela ascendente como las aves migratorias ( biomimetismo ), Airbus cree que un avión puede ahorrar entre un 5 y un 10% de combustible volando entre 2,8 y 3,7 km (1,5 y 2 millas náuticas) detrás del anterior. Después de que las pruebas del A380 mostraran un ahorro del 12 %, lanzó su proyecto 'fello'fly' en noviembre de 2019 para vuelos de prueba en 2020 con dos A350 , antes de las pruebas de vuelos transatlánticos con aerolíneas en 2021. ADS-B permite la certificación para una separación más corta en vuelos oceánicos. espacio aéreo, y la única modificación requerida sería el software de los sistemas de control de vuelo . La comodidad no se vería afectada y las pruebas se limitan a dos aviones para reducir la complejidad, pero el concepto podría ampliarse para incluir más. Las operaciones comerciales podrían comenzar en 2025 con ajustes en los horarios de las aerolíneas , y se podrían incluir aviones de otros fabricantes. [17]
El 9 de noviembre de 2021, Airbus realizó una demostración de 7 h 40 min en Toulouse-Montreal con un A350-900 y un A350-1000 separados por 3 km (1,6 nmi), ahorrando más de 6 t (13 000 lb) de dióxido de carbono: un potencial de más un ahorro de combustible superior al 5%. [18] Financiada en parte por la investigación de gestión del tráfico aéreo SESAR de la UE, la iniciativa Geese de Airbus incluirá los A350 de Air France y French Bee para pruebas de vuelo en 2025 a 2026, e incluirá a Boeing para la interoperabilidad. [19]
