Una aeronave de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ) es aquella 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 vector de empuje y otras aeronaves híbridas con rotores propulsados , como ciclogiros/ciclocópteros y autogiros . [1]
Algunas aeronaves VTOL también pueden operar en otros modos, como CTOL (despegue y aterrizaje convencional), STOL (despegue y aterrizaje corto) o STOVL (despegue corto y aterrizaje vertical). Otros, como algunos helicópteros, sólo pueden operar como VTOL, debido a que la aeronave carece de tren de aterrizaje que pueda soportar el rodaje . VTOL es un subconjunto de V/STOL (despegue y aterrizaje vertical o corto).
Algunos aviones más ligeros que el aire también califican como aviones VTOL, ya que pueden flotar, despegar y aterrizar con perfiles verticales de aproximación/salida. [2]
Se están desarrollando aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical, 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 bajo demanda. 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 el servicio militar: aviones de rotor basculante , como el Bell Boeing V-22 Osprey , y aviones de vectorización de empuje, como la familia Harrier y el nuevo F-35B Lightning II Joint Strike. Luchador (JSF). En el sector civil actualmente solo se utilizan en general helicópteros (se han propuesto algunos otros tipos de aviones VTOL comerciales y 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 normalmente aumenta significativamente el peso de despegue, el alcance o la carga útil en comparación con el VTOL puro. [4]
La idea del vuelo vertical ha existido durante miles de años, y en el cuaderno de bocetos de Leonardo da Vinci aparecen bocetos de un VTOL (helicóptero). Los aviones VTOL tripulados, en forma de helicópteros primitivos, volaron por primera vez en 1907, pero tardarían hasta después de la Segunda Guerra Mundial en perfeccionarse. [5] [6]
Además del desarrollo de helicópteros , se han probado muchos enfoques para desarrollar aviones prácticos con capacidades de despegue y aterrizaje verticales, incluido el avión experimental de ala fija de rotor horizontal de Henry Berliner de 1922-1925, la patente de 1928 de Nikola Tesla y el de George Lehberger. Patente de 1930 para aviones VTOL de ala fija relativamente poco prácticos con motores basculantes. [7] [8] [9] A finales de la década de 1930, la diseñadora de aviones británica Leslie Everett Baynes obtuvo una patente para el heliplano Baynes, otro avión 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 su desarrollo. [9]
En mayo de 1951, tanto Lockheed como Convair obtuvieron contratos en el intento de diseñar, construir y probar dos cazas VTOL experimentales. Lockheed produjo el XFV y Convair produjo el Convair XFY Pogo . Ambos programas experimentales pasaron al estado 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 la misma suerte. [11]
En la década de 1950 se investigó el uso de ventiladores verticales accionados por motores. Estados Unidos construyó un avión en el que el escape del avión impulsaba los ventiladores , mientras que los proyectos británicos no construidos incluían ventiladores impulsados por accionamientos mecánicos de los motores a reacción. [ cita necesaria ]
La NASA ha volado otras naves VTOL, como la nave de investigación Bell XV-15 (1977), al igual que la Armada soviética y la Luftwaffe . Sikorsky probó un avión denominado X-Wing , que despegaba a modo de helicóptero. Los rotores quedarían estacionarios en pleno vuelo y funcionarían como alas, proporcionando sustentación además de las alas estáticas. Boeing X-50 es un prototipo de Canard Rotor/Wing que utiliza un concepto similar. [12]
Un proyecto británico diferente de VTOL fue el girodina , en el que un rotor recibe energía durante el despegue y el aterrizaje, pero luego gira libremente durante el vuelo, con motores de propulsión separados que proporcionan empuje hacia adelante. Comenzando con el Fairey Gyrodyne , este tipo de avión evolucionó más tarde hasta convertirse en el Fairey Rotodyne bimotor, mucho más grande , que usaba tipjets para impulsar el rotor en el despegue y el aterrizaje, pero que luego usaba dos turbohélices Napier Eland que impulsaban hélices convencionales montadas en alas sustanciales. para proporcionar propulsión, las alas sirven para descargar el rotor durante el vuelo horizontal. El Rotodyne fue desarrollado para combinar la eficiencia de un avión de ala fija en crucero con la capacidad VTOL de un helicóptero para brindar servicios de avión de corta distancia desde el centro de las ciudades hasta los aeropuertos.
El CL-84 Dynavert era 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, denominados 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] En estos ensayos participaron 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 se produjeron pérdidas de vidas como resultado de estos accidentes. No se produjeron contratos de producción. [14]
Aunque los rotores basculantes como el Focke-Achgelis Fa 269 de mediados de los años 1940 y el Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" de los años 1950 alcanzaron 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 tanto de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) como 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 elevación propulsada . [15]
En la década de 1960 se intentó desarrollar un avión comercial de pasajeros con capacidad VTOL. La propuesta de 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 fueron descartados 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 habituales. Muchos de ellos tienen capacidad VTOL, especialmente el tipo quadcopter . [19]
En 1947, la Marina de los EE. UU. encargó el Ryan X-13 Vertijet , un diseño de cola , y luego emitió una propuesta en 1948 para un avión capaz de despegar y aterrizar verticalmente (VTOL) a bordo de plataformas montadas en las cubiertas de popa de barcos 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 eventualmente hasta convertirse en un caza de escolta de convoyes basado en barcos VTOL.
Otra contribución funcional temprana más influyente al VTOL fue la plataforma de medición de empuje de Rolls-Royce ("cama voladora") 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 utilizaba cuatro motores de elevación vertical y uno horizontal para el empuje hacia adelante.
El Short SC.1 fue el primer avión VTOL de ala fija británico. El SC.1 fue diseñado para estudiar los problemas con el vuelo VTOL y la transición hacia y desde el vuelo hacia adelante. El SC.1 fue diseñado para cumplir con una solicitud de licitación del Ministerio de Suministros (MoS) (ER.143T) 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 de fecha 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 de los controles de las toberas.
El Republic Aviation AP-100 era un prototipo de caza de ataque con capacidad nuclear VTOL 6x General Electric J85 Turbojet con motor diseñado por Alexander Kartveli que tenía ventiladores con conductos 3x en el centro de su fuselaje y cola como 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 era 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 la disolución de la Unión Soviética, se desarrolló un avión supersónico VTOL 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 fue cancelado 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 60. Uno de los aviones de prueba se conserva en el Deutsches Museum de Múnich, Alemania, y otro en las afueras del aeropuerto de Friedrichshafen. Los otros eran el caza ligero y avión de reconocimiento VFW-Fokker VAK 191B y el transporte (de tropas) Dornier Do 31 E-3. [24]
El LLRV era 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] Esto condujo al motor Bristol Siddeley Pegasus , que utilizaba cuatro boquillas giratorias para dirigir el empuje en una variedad de ángulos. [27] Este fue desarrollado al lado de 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 La competencia con el P.1154 había desarrollado una versión del Dassault Mirage III capaz de alcanzar Mach 1. El Dassault Mirage IIIV logró la transición del vuelo vertical al horizontal en marzo de 1966, alcanzando Mach 1,3 en vuelo nivelado poco tiempo después.
El Harrier normalmente vuela en modo STOVL , lo que le permite transportar una mayor carga de combustible o arma a lo largo de una distancia determinada. [4] En V/STOL, el avión VTOL se mueve horizontalmente a lo largo de la pista antes de despegar usando empuje vertical. Esto proporciona sustentación aerodinámica y empuje y permite despegar con cargas más pesadas y es más eficiente. Durante el aterrizaje 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 del Harrier STOL a bordo de portaaviones navales es la cubierta delantera elevada en forma de "salto de esquí", que le da a la nave 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 inclinable 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 estabilidad y consumo de combustible que plagaron los aviones/helicópteros anteriores". [30]
Retirada de la Royal Navy 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 Royal Air Force y la Royal Navy británicas. El Cuerpo de Marines de los Estados Unidos y las armadas italiana y española continúan utilizando el AV-8B Harrier II , una variante estadounidense-británica. Reemplazando al Harrier II/AV-8B en las armas aéreas de EE. UU. y Reino Unido está la variante STOVL del Lockheed Martin F-35 Lightning II , el F-35B. [33]
SpaceX desarrolló varios prototipos de 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 exitosos [35] 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 exitoso en VTVL. [36] [37] Esta fue la última prueba programada para la plataforma Grasshopper; El siguiente paso serán las 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 luego de un vuelo de prueba suborbital no tripulado que llegó al 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 VTOL del helicóptero le permite despegar y aterrizar verticalmente, flotar y volar hacia adelante, hacia atrás y lateralmente. Estos atributos permiten que los helicópteros se utilicen en áreas congestionadas o aisladas donde los aviones de ala fija normalmente no podrían despegar ni aterrizar. La capacidad de flotar eficientemente durante períodos prolongados de tiempo se debe a las palas del rotor relativamente largas y, por lo tanto, eficientes del helicóptero, y permite que un helicóptero realice tareas que los aviones de ala fija y otras formas de aviones de despegue y aterrizaje verticales no podrían realizar al menos también hasta 2011 .
Por otro lado, las largas palas del rotor limitan la velocidad máxima de al menos los helicópteros convencionales a unos 400 km/h, ya que la entrada en pérdida de las palas provoca inestabilidad lateral.
Los autogiros también se conocen como autogiros o autogiros. El rotor no tiene motor y gira libremente en el flujo de aire a medida que la nave avanza, por lo que la nave necesita un motor convencional para proporcionar empuje. Un autogiro no es intrínsecamente capaz de realizar VTOL: para VTO, el rotor debe acelerarse mediante un accionamiento auxiliar, y el aterrizaje vertical requiere un control preciso del impulso y el paso del rotor.
Los autogiros también se conocen como helicópteros compuestos o autogiros compuestos. Un autogiro tiene el rotor propulsado de un helicóptero con un sistema de empuje hacia adelante independiente de un autogiro. Aparte del despegue y el aterrizaje, el rotor puede estar apagado y girar automáticamente. Los diseños también pueden incluir alas cortas para mayor elevación.
Un ciclogiro o ciclocóptero tiene un ala giratoria cuyo eje y superficies permanecen laterales a través del flujo de aire, como ocurre con un ala convencional.
Un convertiplano despega bajo elevación del rotor como un helicóptero, luego pasa a elevación de ala fija en vuelo hacia adelante. Ejemplos de esto incluyen el Bell Boeing V-22 Osprey
Un rotor basculante o proprotor inclina sus hélices o rotores verticalmente para VTOL y luego los inclina hacia adelante para 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 ala basculante tiene sus hélices o rotores fijados a un ala convencional e inclina todo el conjunto para realizar la transición entre vuelo vertical y horizontal.
Un asistente que se sienta en la cola se sienta verticalmente sobre su cola para el despegue y el aterrizaje, luego inclina todo el avión hacia adelante para el vuelo horizontal.
La vectorización de empuje es una técnica utilizada para motores a reacción y cohetes, donde se varía la dirección del escape del motor. En VTOL, el escape se puede variar entre empuje vertical y horizontal.
Similar al concepto de rotor basculante, pero con motores turborreactores o turbofan en lugar de motores con hélices.
Un jet de elevación es un motor a reacción auxiliar que se utiliza para proporcionar sustentación para la operación VTOL, pero puede apagarse para un vuelo normal con alas. El Yak-38 es el único avión de producción que emplea reactores de elevación.
El ventilador de elevación es una configuración de aeronave en la que los ventiladores de elevación están ubicados en grandes orificios en un ala fija o fuselaje que de otro modo sería convencional. Se utiliza para operación V/STOL.
El avión despega utilizando los ventiladores para proporcionar sustentación y luego pasa a sustentación de ala fija en vuelo hacia adelante. Se han volado varias naves experimentales, pero sólo el F-35 Lightning II entró en producción.
Las aeronaves en las que se logra VTOL explotando el efecto Coandă son capaces de redirigir el aire de manera muy similar a la vectorización de 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 materiales y peso.
El Avro Canada VZ-9 Avrocar , o simplemente el VZ-9, era un avión VTOL canadiense desarrollado por Avro Aircraft Ltd. que utiliza este fenómeno soplando aire en un área central, luego se dirige hacia abajo sobre la superficie superior, que es Parabólico 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 nave está diseñada para dirigir el flujo de aire hacia abajo para proporcionar sustentación.
Jetoptera anunció una propuesta de línea de aviones basada en lo que llamó propulsión fluídica que emplea el efecto Coandă. La compañía afirma que su diseño de ala de caja tiene un índice de eficiencia de Oswald de 1,45. Otras afirmaciones incluyen mayor eficiencia, 30% menos de peso, menor complejidad, 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 que superan el 2,0 y un ahorro de combustible del 50% en comparación con un turbofan en condiciones estáticas o estacionarias. Su eflujo se puede utilizar en arquitecturas de superficie superior soplada para aumentar el coeficiente de elevación a valores superiores a 8,0.
SpaceX ha construido una instalación de lanzamiento de concreto de medio acre en McGregor, y el cohete Grasshopper ya está sobre la plataforma, equipado con cuatro patas de aterrizaje plateadas que parecen insectos.
MIRAR: Grasshopper vuela a su altura más alta hasta la fecha: 744 m (2441 pies) en el cielo de Texas.
