Las "fences" del F-18

El otro día me entrevistaban nuestros amigos del RACV y, en una de las anécdotas que contaba durante mi presentación, hablaba del problema que había tenido el F-18 con unas grietas en la base de los estabilizadores verticales. Ver entrevista. Eso me ha dado pie a escribir esta entrada un poco más detallada sobre aquel evento tan curioso de las "fences" o vallas que se le instalaron al F-18 en los LERX. Es un tema curioso, porque mucha gente me ha preguntado por estos dispositivos y por qué en su día los primeros F-18 no las llevaban.

Vamos a aclarar el propósito de estos dispositivos. Las vallas, son las pequeñas aletas verticales en las extensiones de la raíz del borde de ataque (LERX) del F/A-18. Están situadas un poco por detrás de la cabina del piloto a ambos lados del avión. Debajo se puede ver un prototipo de la NASA con el morro manchado con un líquido a base de glicol para poder observar dónde se generan las turbulencias y que dirección toman. Este aparato era un prototipo que se utilizó para vuelos con gran ángulo de ataque: High Alpha Research Vehicle (HARV). El avión estaba equipado con unos agujeritos por donde salía el líquido. Este avión no tenía instaladas las fences.

La historia de las grietas

En 1978 comenzaron en España los estudios para encontrar un caza que sustituyera a los Mirage III, F-5 y F-4 Phanthom. Aquel programa se denominó FACA (Futuro Avión de Caza y Ataque) y lo llevó a cabo el Ministerio de Defensa español para que nuestro país contara con un caza de cuarta generación. Yo soy precisamente de una de las primeras promociones que se convocaron para cubrir las plazas que iba a generar este avión. Recuerdo estar en casa de mis padres y haber leído sobre la necesidad de nuevos técnicos especialistas del ejército del aire para este nuevo aparato. Ni corto ni perezoso eché mi solicitud en 1980. 

El modelo elegido en el programa FACA fue el cazabombardero estadounidense McDonnell Douglas F/A-18 Hornet que recibió la designación EF-18 Hornet para su exportación a España. Este programa fue durante varios años la inversión más grande realizada por el Ministerio de Defensa. En aquellos días, precisamente se hablaba en nuestro país de la gran cantidad de dinero que costaba este aparato. Como en todos los países, siempre se genera la misma pregunta: ¿Es necesario este gasto tan grande en defensa? Recuerdo haber escuchado aquellos días, que el precio de un solo F-18 rondaba varios miles de millones de pesetas. Se dice que el presupuesto para el programa fue de medio billón de pesetas. Una auténtica barbaridad. Fue con mucho el programa más costoso de las fuerzas armadas en aquellas décadas. 

Una vez recibidos, los cazabombarderos se empezaron a detectar que sufrían fatiga en ciertas zonas. Recuerdo haber leído en el ABC un artículo en el que se decía algo así como que España había hecho un mal negocio con la compra de aquellos aparatos. "El gasto fue enorme y ahora descubrimos grietas en los estabilizadores verticales de muchos aviones". Se decía que España no podía permitirse el gasto tan enorme y que, si el programa era un fiasco, ...y cosas por el estilo. Gran escándalo mediático. 

La causa del problema

El F-18 era un avión muy adelantado. Tenía varias características que lo hacían único. Una de ellas era el regreso del cañón al morro del avión. Los aficionados a los aviones de combate se darán cuenta de que los cañones M61A1 Vulcan casi siempre iban montados en uno de los laterales de los aviones. Ese es el caso del F-14 y el F-16 entre otros. El problema de la instalación lateral era que se tenía que hacer una colimación para que la puntería fuera posible con el sistema de radar y guiado de armas. Debajo se puede ver a un técnico especialista en armamento de la USAF haciendo una colimación del cañón Vulcan en un F-16.

En el F-18 se optó por volver a las técnicas intuitivas de la Primera Guerra mundial. Como lo oye querido lector. En un avión tan avanzado se decidió que lo natural era volver a apuntar al avión enemigo con el morro, tal cual se hacía con los viejos biplanos. Para ello el Vulcan debía estar posicionado de forma que quedara alineado con el eje longitudinal del avión. La posición ideal era en el morro. La idea era muy buena, porque además de intuitiva, descargaba al piloto de muchas otras tareas. Simplemente se apuntaba con el morro y el radar AN-APG 65 en uno de sus modos de búsqueda vertical "blocaba" automáticamente al objetivo. 

¿Cuál era el problema? Pues el problema era, que, para apuntar con el morro de una manera eficaz, el avión debía poder maniobrar y alcanzar actitudes muy inusuales de morro arriba. En definitiva, el avión debía poder alcanzar ángulos de ataque muy altos y aun así seguir pudiendo ser maniobrable. Para poder conseguir altos AoA y maniobrabilidad, se diseñó una extensión de la raíz del borde de ataque (LERX o Leading Edge Root Extension) que generaba unos vórtices muy potentes. El vortex no es más que un pequeño tornado que aumenta de tamaño según se aleja del dispositivo que lo genera. Los vórtices son aire que contiene energía (es aire que tiene velocidad). Los vórtices los generan todos los aviones en las puntas de ala y otros dispositivos al volar y a veces son visibles si las condiciones atmosféricas son las adecuadas. Los generadores de vórtices son superficies aerodinámicas de cualquier tipo que se utilizan para ese propósito. El origen del vórtice se ha tratado ya en este Blog. Aunque el vórtice crea resistencia, a veces los aerodinamicistas usan estos vórtices para conseguir ventajas que superan sus inconvenientes. Por ejemplo, a veces es útil energizar el aire que pasaba por las alas. Esa fue la solución del LERX en el F-18. De esta forma el avión no perdía sustentación y era controlable a muy altos AoA. Debajo se puede ver un prototipo de la NASA volando a muy alto AoA y generando los vórtices en el LERX.

Sin embargo, lo que en principio parecía una solución muy buena para la maniobrabilidad del avión, pronto generó otros problemas que solo fueron detectados cuando se sometió al aparato a ensayos no destructivos. Después de muchas horas de vuelo, se detectaron grietas en la base de los estabilizadores verticales del F-18. Se utilizaron métodos de ultrasonidos y rayos X para poder ver estos problemas. La noticia saltó a la prensa y fue entonces cuando se formó el pitote. El problema era precisamente que los torbellinos que generaba el LERX impactaban en las colas, tal como se puede ver en la imagen de debajo. Con el tiempo las vibraciones en la base del estabilizador hacían que este sufriera fatiga de materiales.

La solución al problema

Cuando éramos unos críos y construíamos maquetas de aviones y modelos de radiocontrol que luego volábamos, solíamos introducir ciertas modificaciones que nos llevaban a pensar que, si después de todo vuela bien, es porque nuestra solución ha sido buena. ¿Cuál es la diferencia entre nosotros y un ingeniero aeronáutico? Bendita inocencia infantil... En pocas palabras y en plan sencillo, un ingeniero aeronáutico encontrará la solución al problema, igual que nosotros, ...pero la suya será de lejos la más barata. 

Eso mismo ocurrió con el problema del F-18. Se instalaron las fences y estas simplemente se encargaban de romper el vórtice creado en los LERX para que pasara por ambos lados de los estabilizadores horizontales sin tocarlos. Estas vallas son básicamente otros generadores de vórtices. La valla crea un segundo vórtice inestable que interactúa con el vórtice primario creado por la extensión del borde de ataque. Esta interacción fortalece la rotación del vórtice principal de modo que la energía del vórtice se elimina en las cercanías del estabilizador vertical. La modificación fue tan efectiva, que no solo resolvió el problema de las vibraciones de cola, sino que también permitió que el F-18 alcanzara ángulos de ataque aún más altos. Chapó. Ahí está el trabajo de los ingenieros.

El impacto del vórtice del LERX y la generación de buffet (vibraciones) en la cola se ilustra en los siguientes gráficos. El gráfico superior compara las frecuencias del buffet en el avión original sin vallas. Estos datos indican que el golpeteo aumenta a medida que aumenta la velocidad del avión.

El segundo gráfico traza el momento de flexión en la cola con y sin la valla. Aunque la amplitud del momento aumenta ligeramente por la valla, la frecuencia se reduce significativamente.

Aunque la instalación de las vallas reduce significativamente la frecuencia del buffet, se decidió también una segunda modificación para aumentar la vida de la célula. Se agregaron tres pequeños soportes en L a la base de cada cola vertical para proporcionar una mayor resistencia estructural. Estos soportes se pueden ver a continuación. Fuente: aerospaceweb.org

Estas modificaciones se realizaron en todos los aviones de producción F-18A/ B/C/D posteriores y se adaptaron a la mayoría de los aviones que ya estaban en servicio, como el nuestro. Esta solución era mucho más simple y menos costosa que la alternativa de rediseñar completamente el LERX y/o las colas verticales. En los últimos modelos F-18E/F Super Hornet, por ejemplo, se ve que no están equipados con vallas en el LERX. El F-18 E/F es una variante totalmente rediseñada, los ingenieros de McDonnell Douglas se pudieron permitir el lujo de investigar soluciones alternativas para mejorar aún más el rendimiento del avión. En lugar de vallas, el F-18E/F utiliza una especie de respiraderos ubicados cerca de la unión del LERX y el ala principal. Estas ranuras se abren automáticamente cuando el aparato se encuentra en un ángulo de ataque alto, permitiendo que el aire fluya sobre el ala. Este flujo de aire adicional interactúa con el vórtice LERX de la misma manera que la valla en el antiguo F-18. 

Espero que haya quedado un poco má claro ahora todo lo que comentaba en la entrevista :) Para las explicaciones del artículo, el autor se ha basado en http://www.aerospaceweb.org

https://www.realaeroclubdevizcaya.es/

https://www.youtube.com/channel/UCM5pkkBJszpfkL8LO-00DTg


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