Ala de flecha variable

Un ala recta, sin flecha, experimenta una alta resistencia aerodinámica al aproximarse a la velocidad del sonido, debido a la acumulación progresiva de ondas de choque sónicas. Inclinar el ala, ya sea hacia atrás o hacia adelante, retrasa su aparición y reduce la resistencia total. Sin embargo, también reduce la envergadura total del ala, lo que conlleva una baja eficiencia en vuelo de crucero y altas velocidades de despegue y aterrizaje.

Un ala fija debe ser un compromiso entre estos dos requisitos. Variar el ángulo de flecha durante el vuelo permite optimizarlo para cada fase, ofreciendo una aeronave más pequeña con mayor rendimiento. Sin embargo, presenta desventajas que deben tenerse en cuenta. A medida que el ala se desplaza, su centro de sustentación se mueve con ella. Es necesario incorporar algún mecanismo, como una raíz de ala deslizante o un estabilizador de cola más grande, para compensar los cambios y mantener el vuelo nivelado. El peso adicional de los mecanismos de flecha y compensación reduce las ganancias de rendimiento, mientras que su complejidad incrementa el costo y el mantenimiento.

Al desplazar los pivotes de las alas hacia el exterior y barrer solo una parte del ala, se reducen los cambios de compensación, pero también la variación en la envergadura y la flexibilidad operativa que la acompaña.

El ingeniero británico Barnes Wallis desarrolló una configuración de aeronave radical para vuelos de alta velocidad, que consideraba distinta del avión convencional de ala fija y la denominó aerodina de control alar. Su trabajo previo sobre la estabilidad de los dirigibles le había impresionado por las elevadas fuerzas de control que podían ejercerse sobre el fuselaje de una aeronave mediante deflexiones muy pequeñas. Concibió un fuselaje simple con forma de pez (ictioide) y un ala variable. No se necesitaban otras superficies de control. Los sutiles movimientos de las alas permitían inducir las pequeñas deflexiones que controlaban la dirección del vuelo, mientras que el equilibrio se mantenía ajustando el ángulo de flecha para compensar la posición variable del centro de sustentación a diferentes velocidades. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Para el vuelo supersónico, un cuerpo sustentador con planta delta es más adecuado que un simple ictioide. También surge un conflicto entre el ángulo de flecha del ala necesario para el equilibrio y el ángulo óptimo para el crucero supersónico. Wallis resolvió esto desplazando masa, generalmente los motores, hacia las puntas de las alas y haciéndolos girar a medida que el ala giraba para mantener la línea de empuje. En la condición de falla asimétrica de un motor, los motores restantes podían girarse para desviar la línea de empuje más cerca del centro de presión y reducir la asimetría a niveles manejables. ^{[ 1 ]}

No es necesario que las alas de babor y estribor tengan la misma inclinación; una puede tener una inclinación hacia atrás y la otra hacia adelante, como en el ala oblicua .

Variar el ángulo de flecha de forma asimétrica en pequeñas cantidades también era fundamental para el principio del aerodino controlado por alas.

El primer uso del ala de flecha variable fue para ajustar el avión para vuelo nivelado. El Westland-Hill Pterodactyl IV de 1931 era un diseño sin cola cuyas alas de flecha ligera podían variar su ángulo de flecha en un pequeño rango durante el vuelo. ^{[ 3 ]} Esto permitía el ajuste longitudinal en ausencia de un estabilizador horizontal independiente. ^{[ 4 ]} El concepto se incorporaría más tarde en el aerodino de control de alas de Barnes Wallis. ^{[ 5 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial , investigadores de la Alemania nazi descubrieron las ventajas del ala en flecha para el vuelo transónico, así como sus desventajas a velocidades más bajas. El Messerschmitt Me P.1101 fue un caza a reacción experimental desarrollado, en parte, para investigar los beneficios de variar el ángulo de flecha del ala. ^{[ 6 ]} Su mecanismo de ajuste del ángulo de flecha, que solo podía modificarse en tierra entre tres posiciones distintas de 30, 40 y 45 grados, estaba destinado únicamente a pruebas y no era apto para operaciones de combate. ^{[ 6 ]} Sin embargo, para el Día de la Victoria en Europa , el único prototipo solo estaba completado en un 80 %. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Tras el fin del conflicto, el P.1101, parcialmente completo, fue recuperado y transportado a Estados Unidos , donde Bell Aircraft lo estudió en profundidad . Sin embargo, debido a la falta de documentación y a algunos daños estructurales sufridos, ^{[ 9 ] [ 8 ]} Bell decidió no completar la aeronave. En su lugar, se construyó una copia cercana, conocida como Bell X-5 , con alas que permitían modificar el ángulo de flecha en pleno vuelo. A medida que el ala se inclinaba hacia atrás, la raíz también se deslizaba hacia adelante, manteniendo el centro de sustentación en una posición constante. ^{[ 10 ]} Un ala de flecha variable de este tipo deslizante se probó en el prototipo Grumman XF10F Jaguar en 1952. Sin embargo, las pruebas de vuelo del F10F resultaron inaceptables, aunque por otros factores como la falta de potencia del motor y considerables problemas de controlabilidad. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Durante finales de la década de 1940, el ingeniero británico LE Baynes comenzó a estudiar el ala de flecha variable. Ideó un método para variar también la geometría de la cola con el fin de estabilizar el centro de sustentación; no era necesario ningún mecanismo deslizante, sino que la estela del ala interactuaba con la cola variable para efectuar los cambios de trimado necesarios. Durante 1949 y 1951, Baynes presentó solicitudes de patente relacionadas con este trabajo. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Si bien el diseño llegó a la etapa de modelado físico y fue sometido a una ronda completa de pruebas en túnel de viento, el Gobierno británico no proporcionó apoyo financiero para el trabajo, supuestamente debido a las restricciones presupuestarias de la época .

Independientemente de Baynes, el ingeniero británico Barnes Wallis también estaba desarrollando un concepto de geometría variable más radical, al que llamó aerodino controlado por alas, 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 integrada , que se concibió para realizar vuelos de ida y vuelta 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 modos del Swallow fueron sometidos a pruebas prometedoras, incluyendo un modelo a escala de seis pies , a velocidades de hasta Mach 2. Sin embargo, en 1957, el gobierno británico decidió retirar el apoyo a muchos programas aeronáuticos, incluyendo el trabajo de Wallis. ^{[ 16 ] [ 15 ]}

A pesar de esta falta de apoyo, el Swallow atrajo la atención internacional durante algún tiempo. A finales de 1958, los esfuerzos de investigación se reactivaron temporalmente mediante 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 oponía 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 geometría variable. Aunque utilizaba el mecanismo de pivote que él había desarrollado, la NASA también insistió en implementar un estabilizador horizontal convencional para aliviar los problemas de trimado y maniobrabilidad. Aunque ya no era el aerodino controlado por alas que Wallis había imaginado, resultaría una solución más práctica que la suya o la de Bell. La investigación del Swallow condujo a varias configuraciones nuevas, incluida la adopción de una sección de cola plegable compacta y canards . ^{[ 18 ]}

El trabajo de Barnes inspiró varios estudios posteriores, incluyendo un aerodino controlado por alas en respuesta a OR.346 para un cazabombardero STOL supersónico, luego como BAC dos presentaciones más: el Tipo 583 para cumplir con Naval ER.206 y el Tipo 584 para cumplir con NATO NBMR.3, ambos también siendo requisitos V/STOL. ^{[ 1 ]} En 1960, Maurice Brennan se unió a Folland Aircraft como su ingeniero jefe y director; pronto se dedicó a aprovechar su experiencia en 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 usando una cola convencional – para un caza/ataque/entrenador multipropósito, designado como Fo. 147. Tenía un mecanismo único para el barrido de las alas que combinaba rieles en los lados del fuselaje y la parte inferior de las alas, que era accionado por husillos de bolas accionados hidráulicamente ubicados en los extremos internos del ala. ^{[ 20 ]} Las alas podían inclinarse de 20 a 70 grados; en la posición de 70 grados, el control longitudinal se mantenía mediante alerones montados en las puntas de las alas , mientras que este se proporcionaba mediante un sistema de canard retráctil cuando se inclinaban a 20 grados, utilizando una autoestabilización completa . Al proporcionar funcionalidad de ajuste mediante el canard, se eliminó la necesidad de un plano de cola grande. ^{[ 21 ]} Se afirmaba que el Fo. 147 era capaz de alcanzar velocidades superiores a Mach 2, estando limitado únicamente por la acumulación de calor generada por el vuelo a alta velocidad. ^{[ 22 ]} Finalmente, el concepto no se desarrolló hasta la etapa de prototipo, mientras que la RAF mostró poco interés en el futuro entrenador de geometría variable. ^{[ 22 ]}

Durante la década de 1960, comenzaron los primeros programas para producir en masa aeronaves de geometría variable. En Estados Unidos, se desarrolló una configuración de este tipo para el programa TFX (Tactical Fighter Experimental), que dio como resultado el desarrollo del General Dynamics F-111 , una aeronave bimotor de considerable tamaño diseñada para desempeñar múltiples funciones. ^{[ 23 ] [ 24 ]} El F-111 es la primera aeronave de producción en incorporar un ala de geometría variable y, junto con otros sistemas como el radar de seguimiento del terreno y los motores turbofán equipados con postquemadores , representaron tecnologías innovadoras para la época. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

A pesar de esta ventaja inicial 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 fijación de las alas del F-111 , problema que 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 sometidos a pruebas intensivas tanto del diseño como de la calidad de fabricación. ^{[ 29 ]} El F-111B, destinado a la Armada de los EE. UU ., fue cancelado en 1968 debido a los problemas de peso y rendimiento de la aeronave, así como a sus insuficiencias para los requisitos de cazas del servicio. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Varias variantes, como el modelo de bombardero estratégico FB-111A , presentaban alas alargadas para proporcionar un mayor alcance y capacidad de carga. ^{[ 32 ]} El ala del F-111 presentaba pilones pivotantes (dos debajo de cada ala) que se ajustaban automáticamente al ángulo de flecha. Los aviones de ala de geometría variable posteriores, como el Panavia Tornado y el Sukhoi Su-24 , también estarían equipados de manera similar.

En la Unión Soviética , los planificadores militares también habían formulado requisitos similares, lo que llevó a TsAGI , la oficina de aerodinámica soviética, a realizar estudios exhaustivos sobre alas de geometría variable. TsAGI desarrolló dos diseños distintos, que diferían principalmente en la distancia (expresada como porcentaje de la envergadura total ) entre los pivotes de las alas. Al adoptar una mayor separación, esto no solo redujo los efectos aerodinámicos negativos del cambio de flecha del ala, sino que también proporcionó una sección de ala fija más grande que podía utilizarse para el tren de aterrizaje o los pilones de armamento . Esto podía, de hecho, adaptarse a fuselajes más o menos existentes, lo que los soviéticos hicieron, como con el Sukhoi Su-17 (basado en el Sukhoi Su-7 de ala en flecha anterior ). Sin embargo, la limitación de la amplia separación era que reducía los beneficios de la geometría variable tanto como sus dificultades técnicas.

Por lo tanto, la producción de nuevos diseños soviéticos desde cero seguía siendo deseable. Para ello, TsAGI ideó una disposición con un espaciado más estrecho, 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, ambos prototipos que volaron 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 la posibilidad de mejorar el bombardero Tupolev Tu-22 , recientemente introducido , comenzó a trabajar en una variante ampliamente rediseñada que incorporaba un ala de geometría variable, destinada a abordar las deficientes características de manejo del Tu-22 más que a mejorar su eficiencia a altas velocidades. ^{[ 33 ] [ 34 ]} A partir de 2014Más de 100 bombarderos estratégicos Tupolev Tu-22M están en uso. ^{[ 35 ]}

Durante finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, Gran Bretaña estaba desarrollando el BAC TSR-2 , un bombardero estratégico supersónico de baja altitud. 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 se interrumpió durante la fase de pruebas de vuelo, principalmente debido al aumento vertiginoso de los costos del programa. ^{[ 37 ] [ 38 ]} Para reemplazar el TSR-2, el Ministerio del Aire inicialmente ofreció una opción para el General Dynamics F-111K estadounidense ; ^{[ 39 ] [ 40 ]} si bien el F-111K se promocionó como más económico, ^{[ 41 ]} esta opción también se canceló en 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 avión de ataque ligero/entrenamiento P.45 a AST 362. Este trabajo se integró en un programa conjunto anglo-francés para desarrollar un avión de ataque de geometría variable : el Anglo French Variable Geometry Aircraft (AFVG). Este avión polivalente iba a estar equipado con un ala de geometría variable y estaba destinado a realizar funciones de ataque , reconocimiento e interceptor . ^{[ 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 de fabricación nacional, mientras que el segundo había determinado que el tipo no se ajustaba a sus planes de equipamiento futuros. ^{[ 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, el diseño fue renovado por BAC en un avión de geometría variable más grande orientado al ataque. Se emitieron contratos de tenencia a BAC para apoyar el proyecto, que había sido redesignado como el avión de geometría variable del Reino Unido (UKVG). ^{[ 48 ] [ 49 ]} En noviembre de 1967, BAC publicó un folleto sobre la propuesta UKVG; se publicarían varias propuestas para cubrir el uso de múltiples motores diferentes. También se planteó la producción rápida de un avión demostrador, propulsado por un par de motores turbofán Rolls-Royce/MAN Turbo RB153 . ^{[ 49 ]} Como la financiación exclusiva para el UKVG no era realista, el gobierno británico buscó socios entre sus 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 , los Países Bajos , Bélgica y Canadá . ^{[ 51 ]} Este memorándum finalmente condujo al lanzamiento del proyecto multinacional de aeronave de combate multipropósito (MRCA), que produjo con éxito una aeronave de geometría variable para misiones de ataque, reconocimiento e interceptación en forma del Panavia Tornado. ^{[ 50 ] [ 52 ] [ 53 ]}

Tras el esfuerzo del AFVG, Dassault Aviation construyó un prototipo de caza, el Mirage G, completando dos aeronaves, el Mirage G4 y el G8, en 1968. ^{[ 54 ]} Además, Dassault también colaboró ​​con la empresa manufacturera estadounidense Ling-Temco-Vought para desarrollar el LTV V-507 , que se presentó al proyecto VFX de la Armada de los EE . UU. ^{[ 55 ]} De las propuestas del VFX, la Armada de los EE. UU. adquirió el Grumman F-14 Tomcat para reemplazar al interceptor de flota F-111B, cancelado 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 geometría variable se ajustaban automáticamente en todo su rango de velocidad y podían moverse incluso durante los giros. Además, las alas podían inclinarse hacia adelante para realizar giros cerrados en combate aéreo cercano, así como hacia atrás para alcanzar velocidades de aceleración. ^{[ 56 ] [ 57 ]}

Rockwell adoptó la geometría variable para el programa mucho más grande del Bombardero Estratégico Tripulado Avanzado (AMSA) que produjo el bombardero B-1 Lancer , destinado a proporcionar una combinación óptima de eficiencia de crucero a alta velocidad y velocidades de penetración rápidas y supersónicas a un nivel extremadamente bajo. Las alas de flecha variable del B-1 proporcionan un nivel de sustentación relativamente alto durante el despegue y el aterrizaje, al tiempo que generan poca resistencia durante una carrera a alta velocidad. ^{[ 58 ]} Cuando las alas se colocaban en su posición más ancha, la aeronave tenía sustentación y potencia considerablemente mejores que el B-52, lo que permitía al B-1 operar desde una variedad mucho más amplia de bases. ^{[ 58 ]} Rockwell presentó su propuesta en enero de 1970, compitiendo contra las ofertas de Boeing y General Dynamics. ^{[ 59 ] [ 60 ]} El desarrollo del B-1 fue autorizado en octubre de 1981 como una solución provisional entre el cada vez más vulnerable B-52 y el Bombardero de Tecnología Avanzada (ATB) más capaz. ^{[ 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, inicialmente denominado Aeronave 160M , presentaba una configuración de ala integrada alargada e incorporaba algunos elementos del Tu-144 , compitiendo contra los diseños del Myasishchev M-18 y el 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 , en abril de 1987. ^{[ 65 ]} Hasta 2020, la aeronave era el avión de combate más grande y pesado, el bombardero más rápido en servicio y el avión de ala de geometría variable más grande y pesado que jamás había volado. ^{[ 66 ]}

Se seleccionó un ala de flecha variable como diseño ganador para la propuesta de Boeing en el estudio de la FAA para un avión de transporte supersónico , el 2707. Sin embargo, durante la etapa de diseño, evolucionó a través de varias configuraciones, añadiéndole finalmente un canard, y finalmente quedó claro que el diseño sería tan pesado que carecería de la carga útil suficiente para el combustible necesario. Posteriormente, el diseño fue abandonado en favor de un ala delta con cola más convencional . ^{[ 67 ]}

La aparición de los sistemas de control de vuelo de estabilidad relajada en la década de 1970 eliminó muchas de las desventajas de la configuración de ala fija. Desde el Tu-160 no se ha construido ningún avión nuevo con alas de geometría variable.

En 2015, el Ministerio de Defensa ruso anunció planes para reiniciar la producción del Tu-160, citando el envejecimiento de la aeronave actual y el probable desarrollo prolongado de su eventual reemplazo, el proyecto PAK DA . ^{[ 68 ]} La producción se reinició en 2021, lo que marcó la primera producción de nuevos fuselajes de geometría variable en 29 años. ^{[ 69 ] [ 70 ]}