El vuelo en formación es el vuelo de varios objetos en coordinación. El vuelo en formación se produce en la naturaleza entre animales voladores y planeadores , y también se lleva a cabo en la aviación humana , a menudo en la aviación militar y en espectáculos aéreos .
Se han realizado numerosos estudios sobre los beneficios en términos de rendimiento que aportan los aviones que vuelan en formación. [1]
Se sabe que las aves obtienen beneficios en el rendimiento del vuelo en formación desde hace más de un siglo, gracias a la teoría aerodinámica de Wieselsberger en 1914. [1] [2]
El vuelo en formación en la aviación humana se originó en la Primera Guerra Mundial , cuando los aviones de combate fueron asignados 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] Para la Segunda Guerra Mundial , los pilotos habían descubierto otras ventajas estratégicas del vuelo en formación, como una estabilidad mejorada y una visibilidad óptima. [ cita requerida ]
Es un error común relacionar la reducción de la resistencia aerodinámica en vuelo organizado con la reducción de la resistencia aerodinámica . Sin embargo, son bastante diferentes mecánicamente.
La reducción de la resistencia que se produce en el rebufo se debe a una reducción de la velocidad del flujo en la estela de un vehículo líder, lo que reduce la cantidad que el flujo necesita acelerar para moverse alrededor de la carrocería, lo que reduce la presión frente al vehículo que va detrás. Esto conduce a una menor diferencia de presión entre las superficies proyectadas delantera y trasera de la carrocería y, por lo tanto, a una menor resistencia. Esto también se puede entender de forma algo tautológica a través de la ecuación de resistencia común para una carrocería , 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 del flujo medio y es la velocidad del flujo medio. Se puede ver por inspección que una disminución de la velocidad media generará una menor fuerza de resistencia, como es el caso del rebufo. [ cita requerida ]
En yuxtaposición, la reducción de la resistencia que sienten los agentes de cola en vuelo en formación puede considerarse más como el "surf" de los agentes de cola sobre los vórtices que desprenden las alas de los agentes de cola, [4] reduciendo la cantidad de fuerza necesaria para permanecer en el aire. Esta fuerza se conoce como sustentación y actúa perpendicularmente a la dirección del flujo de corriente libre y a la resistencia. Estos vórtices se conocen como vórtices de punta de ala y se forman por el 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 de cola, aumentando la sustentación sobre un segmento del ala y permitiendo una reducción de la resistencia inducida al reducir su ángulo de ataque. [5]
Esto también se puede demostrar mediante la ecuación de arrastre y sustentación análoga, . La diferencia ahora es que y varían linealmente con el ángulo de ataque , que es el ángulo formado por el eje neutro de la aeronave y el flujo de corriente libre. Dado que el flujo local llega con un ángulo de ataque mayor debido al vórtice, tanto las fuerzas de sustentación como las de arrastre se rotan 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 una función de a través de los coeficientes y . [ cita requerida ]
Por lo general, se observa que las aves vuelan en formaciones en forma de V o en forma de J , estas últimas comúnmente conocidas como escalón. El primer estudio que intentó cuantificar el ahorro de energía de una gran bandada de aves fue el de Lissaman y Schollenberger [6], quienes proporcionaron la primera estimación, aunque notablemente defectuosa, [1] para una bandada de aves de 25 miembros. Se informó una extensión de rango impresionante del 71% en relación con el vuelo de un solo pájaro. Estas extensiones informadas se deben generalmente al uso de una aproximación de ala fija. Haffner (1977) experimentó con aves volando en túneles de viento y calculó una extensión de rango 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 formación escalonada no lo hacen. Willis et al (2007) descubrieron que la fase óptima de los aleteos representa el 20% del ahorro de energía, lo que sugiere que el posicionamiento es más importante que el almacenamiento perfecto del vórtice que se aproxima. [8] [1]
Los estudios sobre 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 alcance del 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 algunos indicios de agrupamiento, lo que implica que puede haber algún comportamiento autoorganizado. [10]
La unidad más pequeña de una formación se denomina sección o elemento y consta de dos aeronaves; estos pilotos son un líder y un compañero de ala. Una división o escuadrón consta de dos secciones o elementos. Varias divisiones o escuadrones se agrupan en una formación. [11] : 6 Una formación de caza estándar incluye aeronaves cuyas posiciones son mantenidas por los compañeros de ala a una distancia de 1 milla (1,6 km) lateralmente y 100 pies (30 m) verticalmente de la aeronave del líder del escuadrón. [11] : 8 Una formación no estándar resulta cuando el líder del escuadrón ha solicitado, y el control de tráfico aéreo ha aprobado, dimensiones que no se ajustan a los límites establecidos; cuando se opera dentro de una reserva de altitud autorizada o bajo las disposiciones de una Carta de Acuerdo; o cuando las operaciones de vuelo se llevan a cabo en un espacio aéreo especialmente designado. [11] : 9
La formación de cuatro dedos (o dedo cuatro ) es la formación básica de cuatro aeronaves que se asemeja a la posición de las yemas de los dedos con la mano extendida. El líder de vuelo (#1) está pilotando la aeronave que va delante (yema del dedo medio), con el compañero de ala del líder (#2) a un lado y detrás (yema del dedo índice); el líder de sección (#3) está frente al compañero de ala del líder en el lado opuesto (yema del dedo anular) mientras que el compañero de ala del líder de sección (#4) está detrás del líder de sección hacia el mismo lado (yema del dedo meñique). La formación de puntas de dedos se designa fuerte derecha o fuerte izquierda , dependiendo del lado en el que vuelen las aeronaves de sección (#3 y #4). [11] : 17 Por ejemplo, vista desde arriba, la formación de cuatro dedos fuerte derecha de izquierda a derecha consta de las aeronaves #2 (compañero de ala del líder), #1 (líder de vuelo), #3 (líder de sección) y #4 (compañero de ala del líder de sección).
El líder del vuelo debe decidir y comunicar qué orientación, punta de los dedos hacia la derecha o punta de los dedos hacia la izquierda , se debe utilizar como formación básica antes de las operaciones de vuelo. Las formaciones deben hacer la transición hacia y desde la formación básica para facilitar el uso de señales con las manos y el avión. [11] : 17
En la aviación militar, el vuelo en formación táctica es el vuelo disciplinado de dos o más aeronaves 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] : Art 17.01
El desafío de lograr un vuelo en formación seguro mediante vehículos aéreos no tripulados ha sido ampliamente investigado en el siglo XXI con sistemas de aeronaves y naves espaciales. Para los vehículos aéreos, las ventajas de realizar vuelos en formación incluyen ahorro de combustible, [13] mayor eficiencia en el control del tráfico aéreo y asignación cooperativa de tareas. Para los vehículos espaciales, el control preciso del vuelo en formación puede permitir futuros telescopios espaciales de gran apertura, interferómetros espaciales de línea base variable , encuentros y acoplamientos autónomos y ensamblaje robótico de estructuras espaciales. [ cita requerida ] Una de las formaciones más simples utilizadas es donde las aeronaves autónomas mantienen la formación con una aeronave líder que puede ser autónoma. [14]
En la aviación civil, el vuelo en formación se realiza en exhibiciones aéreas o con fines recreativos . Se utiliza para mejorar la técnica de vuelo y también como una actividad prestigiosa de las antiguas organizaciones de aviación. Representa la habilidad más desafiante de volar cerca de otra aeronave. El vuelo en formación se propone para reducir el uso de combustible al minimizar la resistencia. [15]
A principios de la década de 2000, el programa de vuelo en formación autónoma 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 un flujo de combustible entre un 8 y un 10 % menor con dos aviones Gulfstream III en vuelos de prueba de wake surf. En 2018, el ecoDemonstrator , un carguero Boeing 777F de FedEx Express , redujo su consumo de combustible entre un 5 y un 10 % con el piloto automático manteniendo la separación de 4000 pies (1,2 km) según la información ADS-B y TCAS . [16]
Airbus cree que , aprovechando las corrientes de aire ascendentes como las aves migratorias ( biomimetismo ), un avión puede ahorrar entre un 5 y un 10 % de combustible volando a una distancia de entre 2,8 y 3,7 km (1,5 y 2 millas náuticas) del anterior. Tras las pruebas del Airbus A380 , que mostraron un ahorro del 12 %, lanzó su proyecto "fello'fly" en noviembre de 2019 para realizar vuelos de prueba en 2020 con dos A350 , antes de realizar pruebas de vuelo transatlánticas con aerolíneas en 2021. La certificación para una separación más corta está habilitada por ADS-B en el espacio aéreo oceánico, y la única modificación necesaria 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 podrían incluirse aviones de otros fabricantes. [17]
El 9 de noviembre de 2021, Airbus realizó una demostración de 7 h 40 min entre Toulouse y Montreal con un A350-900 y un A350-1000 separados por 3 km (1,6 millas náuticas), ahorrando más de 6 t (13 000 lb) de dióxido de carbono: un potencial de ahorro de combustible de más del 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]
