El fabuloso P-38 y el Mach Tuck

Mach tuck es la tendencia de los aviones a picar debido a un cambio en la posición del centro de presiones. Esto suele suceder al acelerar en régimen transónico. La onda de choque que se forma en el ala se desplaza hacia atrás cuando la aeronave acelera más allá de su número de mach limite (MMO). A medida que una aeronave acelera, los perfiles aerodinámicos crean más sustentación. Para mantener el vuelo nivelado, se requiere un ajuste o compensación en cabeceo. Si la aeronave se encuentra en vuelo transónico y continúa acelerando, la onda de choque resultante que se forma en el ala se mueve hacia atrás y se vuelve más intensa. Esto da como resultado un movimiento hacia atrás del centro de presión que causa una tendencia de morro hacia abajo conocida como Mach Tuck. Si se permite que la aeronave continúe acelerando más allá del número de mach límite, el centro de presión puede moverse tan hacia atrás que el elevador no tiene suficiente autoridad como para contrarrestar el momento de morro abajo. En este punto, es posible que la aeronave pueda entrar en una barrena irrecuperable.

Durante la IIGM a medida que los cazas volaban más rápido empezaban a experimentar estos efectos. Un ejemplo claro fue el rapidísimo P-38 Lightning. Este fabuloso aeroplano era tan rápido que trajo de cabeza a los ingenieros de Lockheed. El diseño era muy bueno, de Kelly Johnson nada menos,  pero volar en regímenes donde el aire se convertía en un fluido compresible dio una gran cantidad de problemas iniciales. En realidad el P-38 fue el primer avión estadounidense en experimentar compresibilidad y Mach tuck.

Las alas de estos aviones de combate no estaban diseñadas para contrarrestar el Mach tuck porque la investigación sobre perfiles supersónicos apenas había comenzado. 

En 1940 se sabía mucho a nivel teórico, pero poco a nivel práctico

Los ingenieros sabían muchas cosas sobre áreas de flujo supersónico, junto con ondas de choque y separación de flujo, pero estas condiciones se conocían en ese momento a nivel teórico y jamás se habían experimentado en condiciones reales, ni siquiera en los túneles de viento. Los expertos hablaban de una burbuja de compresibilidad y se sabía que en las puntas de las hélices existían regiones de altas velocidades en las que se superaba la velocidad del sonido. El P-38 fue el primer caza en alcanzar los 650 km/h. Tenía un ala muy gruesa, con un 15% de espesor que le daba gran sustentación.

La parte superior de la sección central del ala entraba en régimen supersónico a velocidades por encima de Mach 0,65. El flujo de aire sobre la sección central del ala se volvió transónico, causando una pérdida de sustentación. El flujo de aire que normalmente crea el ala hacia abajo (el downwash) que se generaba en el borde de salida cambiaba repentinamente a esas velocidades, creando un momento de cabeceo descendente y el picado agresivo (Mach tuck). Para colmo de males el avión era muy estable en esa condición, lo que dificultaba la recuperación a unas actitudes de vuelo normales. 

Los vuelos de pruebas revelaron problemas que inicialmente se creía que eran debidos a vibraciones de la cola. Durante un vuelo a alta velocidad (cerca de Mach 0,68), durante los picados, la cola de la aeronave comenzaba a temblar violentamente (el flutter) y la nariz tendía a irse aún más hacia abajo lo que empeoraba la situación. Una vez en el Mach Tuck el avión entraba en una situación aerodinámica de compresibilidad y los controles se bloqueaban, dejando al piloto sin otra opción que saltar (si es que ello era posible) o permanecer dentro del avión con la esperanza de llegar a un aire más denso, donde quizás se podría tener la oportunidad de recuperar el picado.

Durante un vuelo de prueba en mayo de 1941, el comandante de USAAC Signa Gilkey logró recuperar un YP-38 a pesar del bloqueo causado por la compresibilidad. Lo pilotó como pudo hasta que se recuperó gradualmente utilizando la compensación del elevador. Debajo se puede ver una gráfica de la época donde se detalla la velocidad y la altitud donde ocurre la región de compresibilidad.

En Noviembre de 1941, los ingenieros de Lockheed ya habían hecho varias modificaciones para impedir que se produjera el picado incontrolado. Algunas de ellas, como la de instalar una actuador servo-asistido no dieron el resultado esperado y se produjeron accidentes fatales. Para poder investigar las soluciones, el famoso diseñador Kelly Johnson le pidió a la NACA que hiciera pruebas con modelos a escala en su túnel de viento. El problema es que ellos ya tenían experiencia con modelos que vibraban violentamente a velocidades cercanas a las solicitadas por Lockheed y no querían arriesgarse a dañar su estupendo y carísimo túnel de viento. El general Arnold, por entonces jefe de las Fuerzas Aéreas, les ordenó realizar las pruebas, que requerían velocidades de hasta Mach 0,74. 

Un Lockheed YP-38 a tamaño real en el túnel del viento; la foto es de 1941 en el Centro de investigación Langley de la NASA.

El problema del picado por fin se esclareció. se vio claramente en el túnel que era el centro de presión el que retrocedía en dirección a la cola cuando el aire alcanzaba alta velocidad. La solución fue cambiar la geometría de la superficie inferior del ala cuando se entraba en el picado para mantener la sustentación dentro de los límites de la parte superior del ala. En febrero de 1943, los flaps de prueba de acción rápida se probaron. Estas aletas de picado se instalaron en las góndolas del motor, y cuando se accionaban se extendían 35° hacia abajo en solo 1,5 segundos. Las aletas no actuaban como aerofreno, lo que hacían era cambiar la distribución de presiones de manera que se pudiera conservar la sustentación del ala. A fines de 1943, se empezaban ensamblar los primeros kits de modificación con estas aletas para dar a los P-38 de África del Norte, Europa y el Pacífico la oportunidad de resistir la compresibilidad y así expandir sus tácticas de combate.

Johnson recordó más tarde: "El problema de a compresibilidad en el P-38 hizo que me saliera una úlcera porque volamos en un rango de velocidades donde nadie lo había hecho antes y tuvimos dificultades para convencer a la gente de que no era cosa de ese avión de aspecto extraño que habíamos diseñado, sino un problema físico fundamental. Descubrimos lo que sucedió con los primeros Lightning y su problema, pero nos tiramos trabajando toda la guerra para poder obtener 15 kts más (28 km/h). Es entonces cuando visualizamos la compresibilidad cercana al Mach 1 como una pared de ladrillos". 

El bueno de Kelly Johnson fue testigo directo de como un compatriota suyo rompía esta barrera de ladrillos en 1947, pero esa es ya otra historia.