lunes, 7 de diciembre de 2015

Sobre el extraordinario diseño del F-104 Starfighter (parte I)

Pocas veces un avión militar ha tenido tantos sobrenombres. El F-104 Starfighter fue desde sus comienzos un avión singular. Un aparato que realizó su primer vuelo en febrero de 1956 y dejó de volar nada menos que en octubre del 2004 (Fuerza aérea Italiana). Nada menos que 48 años en servicio.

A este avión se le ha llamado de todo. Desde expresiones tan estupendas como "la maravilla sin alas" o "el misil tripulado", hasta las menos honorables y nada bonitas, como "el ataúd volante" o "el hacedor de viudas" entre muchas otras. Este es uno de los aviones de posguerra más enigmáticos y curiosos de todos los producidos en este periodo histórico. La USAF no lo adoptó como uno de los aviones que ayudaron a lograr su supremacía aérea, pero por contra en Europa se llegó a convertir en la espina dorsal de la OTAN por un periodo prolongado.


Las excelencias de este avión eran básicamente su vertiginosa velocidad de ascenso (inicialmente este aparato tenía una trepada de 48.000 pies por minuto -unos 244 m/seg- con un récord mundial de ascenso a la altura que utilizan los aviones comerciales, 11.000 metros en solo minuto y medio. Recuérdese que paras subir a esta altura un avión comercial suele requerir de 15 a 20 minutos), y su increíble velocidad punta (superior al Mach 2 limpio). Por otra parte sus grandes debilidades (por las cuales la USAF lo descartó rápidamente como caza) fueron su pobre capacidad de combate "dog-fight" y su cortísimo alcance. La capacidad de maniobra de combate cerrado (ACM o Air combat manoeuvring) es conocida popularmente como "dogfighting". Esto es la táctica o el arte de maniobrar, moverse y girar para posicionar un avión de combate en la mejor situación de ataque a otro avión. El concepto se basa en una combinación de maniobras básicas  ofensivas y defensivas de combate aéreo (Basic Fighter Manoeuvring o BFM), para poder obtener una ventaja decisiva sobre el oponente. Para los interesados en el tema recomiendo el clásico de toda la vida "Fighter Combat, tactics and Maneuvering" de Robert L. Shaw (1985) del que ya hablaré en otro post.

Sorprendentemente, lo que en principio se veía venir como un gran fracaso económico de la industria aeronáutica estadounidense, pronto se convirtió en un éxito de ventas cuando Europa empezó a buscar reemplazo para los aviones de combate dentro del marco de la Alianza Atlántica. Las fuerzas aéreas del viejo continente, con la Luftwaffe de la Alemania occidental a la cabeza, auparon a este aparato al puesto número uno. Parte de este inusitado éxito comercial se debió también a la gran idea estratégica de los norteamericanos de ofrecer las licencias de construcción a los países compradores, además de esto, también se ofertaron ciertas contraprestaciones de distinta índole para aquellos países que no fueran a construirlo.

La Luftwaffe hizo varias pruebas con diversos aviones antes de hacer la elección de lo que iba a ser su caza estándar. Entre los contendientes se encontraba otro ilustre avión que por aquel entonces se estaba empezando a desarrollar. Se trataba del mítico Mirage III, que por razones políticas y técnicas (carecía de la potencia necesaria) no fue elegido. Sorprendentemente, la elección del F-104 se hizo en base a la necesidad de un caza multimisión versátil. Ambos aviones eran grandes plataformas potenciales. El Mirage acabó dando versiones muy superiores a las obtenidas por su contemporáneo Yankee. Recordemos que el fabuloso Mirage 2000 es el "nieto" de aquel Mirage III. Por aquel entonces los alemanes vieron más posibilidades iniciales en la célula del Starfighter, pero la realidad demostró que este avión resultó ser una "vía muerta", tal como demostró la idea del Lockheed CL-1200 Lancer. Con eso y con todo, el F-104 reinó en los cielos de media Europa largo tiempo gracias al apoyo técnico y sobre todo la gran visión comercial del pueblo norteamericano, que con este trato (en teoría bueno para los aliados), lo que realmente pretendía era estrangular la incipiente industria aeronáutica militar que por aquellos días asomaba tímidamente la cabeza. 

Con el atractivo nombre de MDAP (Major Defense Acquisition Program), Norteamérica ofreció un programa imbatible de contraprestaciones y transferencia tecnológica para "ayudar" a la Europa occidental. Únicamente los altivos franceses, orgullosos de su gran tradición aeronáutica, junto con los no menos orgullosos y altamente tecnológicos suecos, no se dejaron seducir por los encantos del Starfighter y su partida de contraprestaciones económicas (...y no entro a hablar aquí de los rumores sobre sobornos que planearon sobre todo el programa, que los hubo). 

Durante más de dos décadas estos aviones norteamericanos surcaron los cielos de la vieja Europa a gran velocidad, pero desafortunadamente también esparcieron sus restos por el terreno en demasiadas ocasiones. Aunque debemos de ser justos, esto mismo también siguió ocurriendo con los F-5 y los F-16 que posteriormente lo reemplazaron. En muchos sentidos se puede decir que el F-104 Starfighter fue digno hijo de la "Guerra fría", una amenaza contrarrestada, que a su vez vuelve a contra-contrarrestar otras del enemigo con nuevos avances de aviónica y sistemas... Es realmente curioso, pues aunque muy técnica, su vida operativa no se vio jalonada con grandes éxitos en combate. El Starfighter participó en la guerra de Vietnam, fue usado por las Fuerzas Aéreas paquistaníes durante sus refriegas con los sempiternos enemigos hindúes. También fue utilizado contra la China comunista por los chinos nacionalistas, pero con eso y con todo nunca se le han reconocido grandes victorias en combate aéreo. 

El concepto inicial del F-104 

File:ClarenceLeonardKellyJohnson.jpgEn la guerra de Corea, la USAF y la industria aeronáutica norteamericana, aprendieron grandes lecciones que luego fueron aplicadas a los diseños de aeronaves que siguieron a este periodo de la historia. Tal cual había ocurrido en los años 40, cuando los norteamericanos se encontraron en el teatro del Pacífico, con la desagradable sorpresa del Mitsubishi Zero-Sen (solo nueve años antes), ahora irrumpía en los cielos de la península coreana un avión incómodo. Se trataba del ágil MiG-15, que pronto dejó obsoletos a los F-80, F-84 y al F9F Panther de la Navy. Únicamente la alta cualificación técnica de los pilotos norteamericanos con sus F-86 Sabre y el uso del misil infrarrojo Sidewinder, volvió a equilibrar la balanza (ver post relacionado con este misil aquí). El caza norteamericano era mucho más pesado que el soviético, por ello el MiG-15 gozaba de una maniobrabilidad y una trepada que a duras penas podían compensar las técnicas de los pilotos norteamericanos para poder volver a tener la supremacía aérea. 

Con estas lecciones bien aprendidas, el brillante ingeniero aeronáutico Clarence L. "Kelly" Johnson, jefe de diseño de la Lockheed (foto superior), comenzó a diseñar en 1951 lo que sería el más fabuloso jet de combate que dejaría en mantillas no solo a los modelos de la casa, los Shooting Star y los F-94 Starfire, sino también a cualquier otro caza de aquella época. Para ello se necesitaba partir de cero, era necesario discurrir algo completamente diferente a lo inventado hasta el momento. Se miraba descaradamente al Mach 2,2 como la velocidad deseada para este nuevo caza. Esto era algo que por aquel entonces solo podía obtenerse con aviones experimentales. Esa velocidad representaba el llamado "state of the art" o límite de la ciencia y de lo técnicamente posible, que solo podía conseguirse a base de aleaciones muy especiales en los fuselajes. La obsesión por la velocidad llevó a la consideración de hacer el aparato lo más ligero posible, pero ello introdujo serias dificultades de diseño, sobre todo en el ala (corta y extremadamente delgada). Tan extrema era la situación, que en la Lockheed no sabían por aquel entonces como hacerlo aterrizar con velocidades "normales" sin dañar la célula en el impacto.

Johnson, contrariamente a lo que hubieran hecho otros diseñadores, no se limitó a sentarse en la mesa de dibujo. El genial ingeniero se rodeó de estudios paramétricos sobre cazas de todas clases y tamaños. En realidad esto es lo que se debe de hacer cuando no se sabe por donde empezar. Hoy en día lo conocemos con el nombre de "meta-estudio" o "Metaanálisis", pero por aquel entonces era algo muy innovador y demuestra una vez más la gran preparación técnica y la genialidad de estos profesionales. Después de considerar muchas opciones, alternativas y combinaciones de formas, estructuras, pesos y tamaños, Johnson produjo el Modelo 83. Aparato basado en el metaestudio realizado, pero muy aligerado (unos 12.750 kg) que respondía a los requerimientos de la USAF. Más arriba se pueden ver unos diseños originales elaborados por el propio Kelly Johnson. Tal como se puede apreciar la obsesión por lograr aviones rápidos queda patente en sus bocetos. La elección inicial del motor para este prototipo recayó en el J67 (un motor muy potente derivado del Olympus). 

En la ilustración inferior se pueden apreciar las tres vistas del Modelo 83, que al fin y a la postre serían muy similares a las del modelo final. La USAF lo denominó "Sistema de armas 303A", que describía lo que ellos entendían como un caza diurno supersónico. Con el fin de alcanzar las velocidades superiores al Mach 2, las alas de este aparato tenían un grosor ridículo (el 3% de su envergadura) y sin aflechamiento. Para cualquier diseñador hubiera resultado un autentico quebradero de cabeza. Finalmente la estructura circular se construyó alrededor del motor elegido (el  potente X-24A de general Electric), de ahí otra de las acepciones "un avión construido alrededor de un motor". La solución a las velocidades de aterrizaje de este aparato llegó de la mano de jóvenes ingenieros aeronáuticos que aplicaron ideas revolucionarias en el campo de la aerodinámica.

File:XF-104 drawing.jpg

El sistema de FLAPS/SLATS del F-104

Para lograr unas velocidades "razonables" de aproximación y aterrizaje, los ingenieros de la Lockheed introdujeron por primera vez en la historia el concepto del soplado del extradós del Flap con aire de sangrado del potente motor. Esto junto con la incorporación de un borde de ataque con deflexión hizo del Starfighter el primer avión del mundo en incorporar dispositivos hipersustentadores de esta clase. El sistema de sangrado fue diseñado por John D. Antinello, del U.S. Naval Air Test Center. Aire a elevada presión purgado del motor para ser impelido a velocidad supersónica a través de unas estrechas ranuras situadas delante del extradós de los flaps. Con el aire se prevenía la separación del flujo generando una gran sustentación.

En la imagen se muestra un trozo de la sección trasera del ala del F-104 (5) revelando el secreto de los ingenieros de la Lockheed. El flujo de aire (1) que proviene del extradós del ala se mezcla con el aire de sangrado de los motores que se lleva desde estos por medio de los conductos "BLC" (4) a la ranura de soplado "BLC" (2). El soplado con aire de sangrado en el extradós del flap genera una sustentación adicional que permite reducir las velocidades de despegue y aterrizaje.



Este sistema de soplado se conoce pomposamente entre los ingenieros como "control de la capa límite" o en inglés "Boundary Layer Control system" o simplemente "BLC". Este sistema se activaba automáticamente en el F-104 cuando los flaps se calaban a 15° o más. La válvula que controlaba este mecanismo estaba actuada por la posición del actuador de los flaps. El problema en los aterrizajes venía a la hora de cortar gases. Si esto se hacía muy pronto se corría el riesgo de quedarse sin sustentación por soplado y a esas velocidades tan "bajas" el avión se podría desplomar. Debajo se muestra el cuadrante de control de gases de un F-104G, donde se puede apreciar el selector de flaps para despegue y aterrizaje (1) muy junto a la palanca de potencia, donde se integran el aerofreno (2) y el pulsador para el micro (3). Llevar la palanca de gases a la posición de IDLE (ralentí) antes de tiempo representaba una situación comprometida. Otra situación peliaguda sucedía cuando se efectuaban los Go-around o motor y al aire o aprox. frustrada. En estos casos se debía de dejar los flaps en la posición de Take-off (despegue) de 30 a 60 segundos para permitir que el sistema BLC se enfriara, de no hacer esto el sistema de control de válvulas de sangrado podía averiarse y quedar inutilizado para la siguiente toma. Lo de equivocarse de pulsador entre el 2 y el 3 (como les sucede a muchos pilotos de F1 en su volante) era menos grave, pero igualmente sonrojante.


Los flaps y slats del F-104 se extienden eléctricamente y están alimentados por los buses de corriente alterna (AC) de emergencia de frecuencia variable. Se instalaron cuatro actuadores (dos para los flaps y otros dos para los slats). Incluso con el fallo de uno de los actuadores se podrían extender los slats de borde de ataque a la posición de despegue por debajo de los 370 nudos y se podrían retraer desde la posición de aterrizaje a la de despegue hasta los 230 nudos.

Leading Edge/Trailing Edge
  • Takeoff 15°/15°
  • Land 30°/45°
Para evitar males mayores, los ingenieros de la Lockheed pusieron un sistema de seguridad en el selector de flaps, de modo que no se produjera una retracción involuntaria desde la posición LAND (aterrizaje) directamente a la posición UP (flaps cero). Para efectuar un motor y al aire, lo primero de todo era retraer los flaps a la posición Takeoff para luego retraer el tren de aterrizaje, solo entonces se podía retraer los flaps hasta la posición UP. Para poder mover la palanca de los flaps lo que hay que hacer es tirar hacia afuera de esta, como 1/4 de pulgada antes de empezar a desplazarla verticalmente hasta la posición UP. Con el fin de limitar la carga de los actuadores eléctricos, el sistema operaba por fases extendiendo primero los flaps hasta que estos se encontraban en su posición de despegue sin moverse. Solo entonces comenzaban a moverse los slats.  Los flaps también contaban con un avanzado sistema de protección asimétrica. Si los sensores detectaban una diferencia de 5° entre ambos flaps, estos se detenían automáticamente. En este caso el procedimiento era el de volver el selector a la posición anterior e intentar aterrizar.

Fin de la parte I

En el siguiente post continuaré con más referencias técnicas relativas al diseño de este increíble avión. Para los que se manejen con el inglés a continuación se pueden leer las curiosidades más destacadas del aparato en esta publicación de EADS. Cosillas que todo buen aerotrastornado quiere saber :)

Milestones in the history of aviation: The F-104 Starfighter.


2 comentarios: