Un ala de barrido variable , conocida coloquialmente como " ala oscilante ", es un ala de avión , o un conjunto de alas, que puede ser barrida hacia atrás y luego devuelta a su posición recta original durante el vuelo. Permite modificar la forma del avión en vuelo, por lo que es un ejemplo de avión de geometría variable .
Un ala recta es más eficiente para vuelos a baja velocidad, pero para un avión diseñado para vuelos transónicos o supersónicos es esencial que el ala esté en flecha. La mayoría de los aviones que viajan a esas velocidades suelen tener alas (ya sea ala en flecha o ala delta ) con un ángulo de barrido fijo. Estos son diseños de alas simples y eficientes para vuelos a alta velocidad, pero existen compensaciones en el rendimiento. Una es que la velocidad de pérdida aumenta, lo que requiere pistas de aterrizaje más largas (a menos que se incorporen dispositivos complejos de alas de gran sustentación). Otra es que el consumo de combustible del avión durante el crucero subsónico es mayor que el de un ala no barrida. Estas compensaciones son particularmente graves para los aviones basados en portaaviones navales . Un ala de barrido variable permite al piloto utilizar el ángulo de barrido óptimo para la velocidad actual de la aeronave, lenta o rápida. Los ángulos de barrido más eficientes disponibles compensan las penalizaciones de peso y volumen impuestas por los mecanismos de barrido mecánicos del ala. Su mayor complejidad y coste lo hacen práctico sobre todo 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 estarán equipados 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/interceptores , incluidos el Mikoyan-Gurevich MiG-23 , el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado ADV . A partir de la década de 1980, el desarrollo de dichos 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 estrechamente la aerodinámica y la estructura de los aviones, eliminando la necesidad de un ángulo de barrido variable para lograr el rendimiento requerido; en cambio, las alas cuentan con aletas controladas por computadora tanto en los bordes de ataque como 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 barrer experimenta una gran resistencia a medida que se acerca a la velocidad del sonido, debido a la acumulación progresiva de ondas de choque sónicas. Girar el ala en ángulo, ya sea hacia adelante o hacia atrás, retrasa su aparición y reduce su resistencia general. Sin embargo, también reduce la envergadura total de un ala determinada, lo que conduce a una eficiencia de crucero deficiente y a altas velocidades 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 y con mayor rendimiento. Sin embargo, tiene desventajas que hay que tener 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 recortar los cambios y mantener el vuelo nivelado. El peso añadido de los mecanismos de barrido y recorte 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 trimado, pero también se reduce la variación en la envergadura y la consiguiente flexibilidad operativa.
El ingeniero británico Barnes Wallis desarrolló una configuración de avión radical para vuelos de alta velocidad, que consideraba distinta del avión convencional de ala fija y lo llamó aerodino controlado por ala. Su trabajo anterior sobre la estabilidad de los dirigibles le había inculcado las altas fuerzas de control que se pueden ejercer sobre el cuerpo de un avión, a través de deflexiones muy pequeñas. Concibió un fuselaje ictioide (parecido a un pez) simple con un ala variable. No se necesitaron otras superficies de control. Los movimientos sutiles de las alas podían inducir pequeñas desviaciones 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 un vuelo supersónico, un cuerpo elevador en forma delta es más adecuado que un simple ictioide. También surge un conflicto entre el ángulo de barrido del ala necesario para el ajuste y el ángulo óptimo para el crucero supersónico. Wallis resolvió esto moviendo masas, típicamente los motores, hacia las puntas de las alas y girándolas a medida que el ala se desplazaba para mantener la línea de empuje. En la condición de motor apagado asimétrico, 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 barrer 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 el ala.
El primer uso del barrido variable fue ajustar el avión para un vuelo nivelado. El Westland-Hill Pterodactyl IV de 1931 era un diseño sin cola cuyas alas ligeramente curvadas podían variar su barrido en un pequeño ángulo durante el vuelo. [3] Esto permitió 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 , investigadores de la Alemania nazi descubrieron las ventajas del ala en flecha para vuelos transónicos, y también sus desventajas a velocidades más bajas. El Messerschmitt Me P.1101 era un caza a reacción experimental que fue, en parte, desarrollado para investigar los beneficios de variar el barrido de las alas. [6] Su mecanismo de ángulo de barrido, que sólo podía ajustarse en el suelo 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 estaba completo sólo en un 80 por ciento. [7] [8]
Tras el final del conflicto, el P.1101 parcialmente completo fue recuperado y transportado a Estados Unidos , donde fue estudiado en profundidad por Bell Aircraft . Sin embargo, debido a la falta de documentación y a algunos daños estructurales sufridos, [9] [8] Bell decidió no completar el avión. En cambio, se construyó una copia cercana, conocida como Bell X-5 , con alas que permitían alterar el ángulo de barrido en pleno vuelo. A medida que el ala retrocedía, la raíz también se deslizaba hacia adelante, manteniendo el centro de sustentación en una posición constante. [10] En 1952 se voló un ala de barrido variable de este tipo deslizante en el prototipo Grumman XF10F Jaguar. Sin embargo, las pruebas de vuelo del F10F resultaron inaceptables, aunque por otros factores como la falta de potencia del motor y problemas considerables de controlabilidad. . [11] [12]
A finales de la década de 1940, el ingeniero británico LE Baynes comenzó a estudiar el ala de barrido variable. También ideó un método para variar la geometría de la cola para estabilizar el centro de sustentación; no era necesario ningún mecanismo de deslizamiento; en cambio, la estela del ala interactuaba con la cola variable para efectuar los cambios de ajuste necesarios. Durante 1949 y 1951, Baynes presentó solicitudes de patente asociadas con este trabajo. [13] [14] Si bien el diseño alcanzó la etapa de modelado físico y estuvo sujeto a una ronda completa de pruebas en el túnel de viento, el gobierno británico no proporcionó respaldo financiero para el trabajo, supuestamente debido a limitaciones presupuestarias en ese momento . [ cita necesaria ]
Independientemente de Baynes, el ingeniero británico Barnes Wallis también estaba desarrollando un concepto de geometría variable más radical, al que llamó aerodino controlado por 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 mixta , que se concibió como capaz de realizar vuelos de regreso entre Europa y Australia en diez horas. Más tarde, el Swallow fue visto cada vez más como un potencial sucesor supersónico del subsónico Vickers Valiant , uno de los bombarderos V de la RAF . [15] Durante la década de 1950, varios modelos 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, la Golondrina 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 Mutuo de Desarrollo de Armas 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 ala que Wallis imaginaba, resultaría una solución más práctica que la suya o la de Bell. La investigación de las golondrinas 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 adicionales, incluido un aerodino controlado por ala en respuesta al OR.346 para un cazabombardero supersónico STOL, luego como BAC dos presentaciones más: el Tipo 583 para cumplir con el ER.206 Naval y el Tipo 584 para cumplir con OTAN NBMR.3, ambos también son requisitos V/STOL. [1] En 1960, Maurice Brennan se unió a Folland Aircraft como su ingeniero jefe y director; Pronto empezó a aprovechar su experiencia con las 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 orugas en los lados del fuselaje y la parte inferior de las alas, que era accionado por tornillos de bolas accionados hidráulicamente colocados en los extremos internos del ala. [20] Las alas podían girarse de 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 lo proporcionaba un dispositivo de canard retráctil cuando se giraba en la posición de 20 grados, usando autoestabilización total . Al proporcionar la funcionalidad de recorte a través del canard, se eliminó la necesidad de un plano de cola grande. [21] El Fo. Se afirmó que 147 era 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 que 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 utilizó una configuración de este tipo para el programa TFX (Tactical Fighter Experimental), que dio lugar al 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 que presenta un ala de geometría variable y, junto con otros sistemas como el radar de seguimiento del terreno y los motores turbofan equipados con postquemadores , 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 no terminaron hasta 1973. [27] Durante 1968, se descubrieron grietas en los puntos de sujeción de las alas del F-111 ; el problema también se ha atribuido a la pérdida de un F-111 al año siguiente. [28] En consecuencia, los puntos de fijación fueron rediseñados estructuralmente y sujetos a pruebas intensivas tanto del diseño como de la calidad de fabricación. [29] El F-111B, destinado a la Marina de los EE. UU. , fue cancelado en 1968 debido a problemas de peso y rendimiento del avión, así como a sus insuficiencias para los requisitos de caza 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 transporte de carga. [32] El ala del F-111 presentaba pilones pivotantes (dos debajo de cada ala) que se ajustaban automáticamente al ángulo de barrido. Los aviones posteriores con alas oscilantes, como el Panavia Tornado y el Sukhoi Su-24 , también estarían equipados de manera similar. [ cita necesaria ]
En la Unión Soviética , los planificadores militares también habían formulado requisitos similares, lo que llevó a TsAGI , la oficina de aerodinámica soviética, a realizar extensos estudios sobre alas de geometría variable. TsAGI desarrolló dos diseños distintos, que se diferenciaban principalmente en la distancia (expresada como porcentaje de la envergadura total ) entre los pivotes del ala. Al adoptar un espaciado más amplio, esto no sólo redujo los efectos aerodinámicos negativos del cambio de barrido del ala, sino que también proporcionó una sección de ala fija más grande que podría usarse para trenes de aterrizaje o pilones de almacenamiento . De hecho, esto podría adaptarse a estructuras de aviones más o menos existentes, lo que en consecuencia hicieron los soviéticos, como con el Sukhoi Su-17 (basado en el anterior Sukhoi Su-7 de ala en flecha ). La limitación del amplio espaciado, sin embargo, fue que reducía los beneficios de la geometría variable tanto como reducía sus dificultades técnicas. [ cita necesaria ]
Como tal, seguiría siendo deseable producir nuevos diseños soviéticos "limpios". Para ello, TsAGI ideó una disposición con espacios más reducidos, algo 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, los cuales volaron en forma de prototipos a finales de la década de 1960 y entraron en servicio a principios de la década de 1970. Durante 1962, el equipo de diseño de Tupolev, reconociendo que había margen de mejora en el recientemente presentado bombardero Tupolev Tu-22 , comenzó a trabajar en un derivado ampliamente rediseñado que incorporaba un ala de geometría variable, con la intención de abordar las pobres características de manejo del Tu-22 más que reforzar su eficiencia a altas velocidades. [33] [34] A partir de 2014, [actualizar]más de 100 bombarderos estratégicos Tupolev Tu-22M están en uso. [35]
A finales de los años cincuenta y principios de los sesenta, Gran Bretaña estaba desarrollando el BAC TSR-2 , un bombardero estratégico supersónico de bajo nivel. Las variantes posteriores del tipo habrían estado equipadas con alas de geometría variable. [36] Sin embargo, el 1 de abril de 1965, el desarrollo del TSR-2 finalizó durante la fase de pruebas de vuelo, principalmente debido a los crecientes costos del programa. [37] [38] Para reemplazar el TSR-2, el Ministerio del Aire inicialmente colocó una opción para el American General Dynamics F-111K ; [39] [40] Si bien el F-111K fue promocionado como más barato, [41] esto también fue cancelado durante enero de 1968 por motivos de costo. [42]
Tras la cancelación del TSR-2, BAC trasladó su trabajo de geometría variable a Warton, donde presentó el ataque/entrenador ligero P.45 al AST 362. Este trabajo alimentó un programa conjunto anglo-francés para desarrollar un avión de ataque de geometría variable : el Avión anglofrancés de geometría variable (AFVG). Este avión polivalente iba a estar equipado con un ala de geometría variable y estaba destinado a realizar funciones de ataque , reconocimiento e interceptación . [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 competidores: 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 quería desarrollar su propio avión de geometría variable autóctono, mientras que el segundo había determinado que el tipo no se alineaba con su futuro. planos de equipamiento. [44] En junio de 1967, el gobierno francés anunció su retirada del proyecto AFVG aparentemente por motivos de coste. [N 1] [47]
A pesar del colapso del programa AFVG, BAC renovó el diseño para convertirlo en un avión más grande de geometría variable orientado al ataque. Se otorgaron contratos de holding a BAC para respaldar el proyecto, que había sido redesignado como avión de geometría variable del Reino Unido (UKVG). [48] [49] En noviembre de 1967, BAC publicó un folleto sobre la propuesta del UKVG; Se emitirían varias propuestas para cubrir el uso de múltiples motores diferentes. También se discutió la producción rápida de un avión de demostración, propulsado por un par de motores turbofan 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 , Países Bajos , Bélgica y Canadá . [51] Este memorando finalmente condujo al lanzamiento del proyecto multinacional Multi-Role Combat Aircraft (MRCA), que produjo con éxito un avión de geometría variable para las misiones de ataque, reconocimiento e interceptación en la forma del Panavia Tornado. [50] [52] [53]
Tras el esfuerzo de 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 VFX de la Marina de los EE. UU . [55] A partir de las presentaciones de VFX, la Marina de los EE. UU. adquirió el Grumman F-14 Tomcat para reemplazar el cancelado interceptor de flota F-111B 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 en su rango de velocidad y podían moverse incluso durante los giros. Además, las alas se podían mover hacia adelante para realizar giros cerrados en forma de "murciélago" en combates aéreos cuerpo a cuerpo, así como hacia atrás para velocidades de carrera. [56] [57]
Rockwell adoptó geometría variable para el programa mucho más grande de Bombarderos Estratégicos Tripulados Avanzados (AMSA) que produjo el bombardero B-1 Lancer , destinado a proporcionar una combinación óptima de eficiencia de crucero de alta velocidad y velocidades de penetración rápidas y supersónicas 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, el avión tenía una sustentación y potencia considerablemente mejores que el B-52, lo que permitió al B-1 operar desde una variedad mucho más amplia de bases. [58] Rockwell presentó su propuesta en enero de 1970, compitiendo con ofertas de Boeing y General Dynamics. [59] [60] El desarrollo del B-1 fue autorizado en octubre de 1981 como un recurso 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 fue designado Avión 160M , presentaba un diseño de ala combinada alargada e incorporaba algunos elementos del Tu-144 , compitió 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 de Pryluky , RSS de Ucrania , durante abril de 1987. [65] El avión es el avión de combate más grande y pesado, el más rápido bombardero en uso y el avión de ala de barrido variable más grande y pesado que jamás haya volado hasta 2020. [66]
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Se seleccionó un ala de barrido variable como diseño ganador utilizado por el modelo de 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 agregó un canard y finalmente quedó claro que el diseño sería tan pesado que carecería de carga útil suficiente para el combustible necesario. El diseño fue posteriormente abandonado en favor de un ala delta con cola más convencional . [67]
La llegada de sistemas de control de vuelo de estabilidad relajada en la década de 1970 anuló muchas de las desventajas de una configuración de ala fija. No se ha construido ningún nuevo avión de ala de barrido variable desde el Tu-160 (producido hasta 1992), aunque se ha observado que el reemplazo del F-14 – el F/A-18E – tiene una capacidad de carga útil/alcance reducida en gran parte debido a sus pequeñas alas fijas. [56]
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 nuevos fuselajes de barrido variable que se producirán en 29 años. [69] [70]
