La geometría variable en aviones de superioridad aérea

Muchos de nosotros recordamos con nostalgia el F-14. Este espectacular (...y enorme) avión ha tenido un gran impacto en la forma en la que la Marina de los EE. UU. llevó a cabo la defensa de la flota, pero hoy en día el concepto de geometría variable aplicado a la superioridad aérea no resulta viable. Vamos a ver por qué.

Un poco de perspectiva

Las alas de geometría variable evolucionaron como una solución para los primeros motores a reacción. Ya en la Segunda Guerra Mundial se realizaron experimentos con alas que podían cambiar su geometría en el suelo, como el Messerschmitt P.1101.

En aquel entonces, los motores a reacción producían menos empuje porque funcionaban con temperaturas más bajas y eran, en general, más primitivos. Se estudió la posibilidad de utilizar alas con aflechamiento muy pronunciado para obtener una alta velocidad, pero eso hacía a la aeronave vulnerable en los combates aéreos, cosa que también sucedió en Vietnam, y a la vez, el aflechamiento daba lugar a que la aeronave tuviera velocidades de despegue y aterrizaje muy altas. Cuanto más altas son estas velocidades de despegue y aterrizaje menos segura se vuelve la operación, lo que a su vez da lugar a un número mayor de accidentes. 

Los estudios también concluyeron que se necesitarían pistas más largas, lo que limitaba la movilidad y facilitaba los objetivos a las fuerzas enemigas, que podrían atacar un aeropuerto mucho más grande con necesidad de gran protección empleando muchos medios para su defensa.

En Europa, hubo dos proyectos clave, el Panavia Tornado, que entró en servicio como interceptor/bombardero multimisión, y el Dassault Mirage G, que nunca entró en producción. Estados Unidos construiría el F-111, que era un avión polivalente de geometría variable muy pesado. El famoso F-14 se derivó del F-111. La URSS hizo varios diseños de geometría variable notables, el Mig-23 y el Su-24.

En la imagen se pueden ver los proyectos de geometría variable europeos

Existieron también varios diseños con esta tecnología en bombarderos, estos fueron fueron realizados por Estados Unidos y la URSS. El B1 Lancer de Estados Unidos, junto con el Tu-22 y Tu-160 de la URSS. Los 3 bombarderos todavía se encuentran en servicio.

Las ventajas de una geometría variable

Su principal ventaja es que pueden usar esa ala con aflechamiento variable para encontrar el ángulo óptimo de aflechamiento del ala (dentro de sus límites de aflechamiento) para una velocidad determinada. Esto permite ahorros de combustible en el despegue, ascenso y el aterrizaje durante una salida de combate.

En los portaaviones, tienen la ventaja de tener un aflechamiento muy bajo en el despegue y un aflechamiento muy alto cuando se aplica empuje en velocidad, con el postquemador al máximo. Las alas de geometría variable también se pueden plegar para un mejor almacenamiento dentro de los abarrotados hangares sin comprometer la integridad estructural del ala (como es el caso de las alas plegables del F-18E).

En un portaaviones, el espacio en cubierta siempre es un cuello de botella. Si bien un portaaviones puede parecer muy grande para un profano, la realidad es que el espacio en la cubierta limita mucho las operaciones.

Entonces, ¿por qué no se utiliza en aviones de combate?

Para lograr aviones de geometría variable, se requiere un gran mecanismo en el fuselaje del avión. Este complejo y pesado mecanismo agrega una gran cantidad de masa al total de la aeronave y hace que el fuselaje sea más grande, creando más resistencia. Esto significa que la fracción de combustible en tales aviones se reduce enormemente.

La fracción de combustible es la cantidad de combustible que un avión puede llevar (tanto en tanques internos como externos) dividida por el peso al despegue o el peso en crucero. Se suele expresar en porcentaje y es un factor clave en el cálculo del alcance máximo de un avión sin utilizar el repostaje. Forma parte de la ecuación de Breguet para calcular el alcance de una aeronave.

Hoy en día, las fracciones de combustible en los aviones de combate a reacción oscilan en torno al 30%. Con del 29 por ciento y menos se suelen producir subcruceros; Con el 33 por ciento se obtienen los cuasi-supercruiser; y con el 35 por ciento o más se podrían realizar misiones eficaces de supercrucero. La fracción de combustible del F-22 Raptor es del 29 por ciento, el Eurofighter es del 31 por ciento, ambos similares a los del F-4 Phantom II, F-15 Eagle y el ruso Mikoyan MiG-29 "Fulcrum". El interceptor supersónico ruso Mikoyan MiG-31 "Foxhound", tiene una fracción de combustible de más del 45 por ciento. El Panavia Tornado tiene una fracción de combustible interna relativamente baja del 26 por ciento y con frecuencia llevaba tanques de caída. 

En un combate cerrado, este pesado mecanismo con todos sus engranajes, en comparación con un ala fija, daría como resultado un empuje desfavorable para la resistencia de la aeronave, incluso si el piloto pudiera cambiar a una geometría óptima justo antes del combate. Cambiar la geometría de las alas durante un combate dog-fight sería un gran riesgo, ya que seguramente conllevaría una pérdida de energía, que es lo que menos se desea en esas condiciones.

Un ala de geometría variable significaría:

• Mayor carga alar debido a la masa del dispositivo con sus engranajes; 
• Mayor consumo de combustible (un consumo más rápido) debido un rendimiento transitorio muy bajo de este mecanismo (muy importante en un combate cerrado).

Este mecanismo también conduciría los límites G a valores más bajos. En el F-14D, el límite simétrico con 50.000 libras era 6.5G. El F-16 y el F-15 eran ambos capaces de 9G. Las versiones navalizadas del F-18 eran capaces de 7.5G, mientras que ciertas variantes terrestres del F-18 también podían realizar 9G. A modo de comparación, El Rafale de Dassault puede llegar a las 11G, con un límite máximo de 16,5G.

El mecanismo de geometría variable de las alas del F-14 redujo notablemente la fracción de combustible del avión. Un F-14D vacío tiene una masa de 43.735 lb (o aproximadamente 19.838 kg) y puede llevar 16.200 lb de combustible. Esto da como resultado una fracción de combustible de 0,27, que está por debajo de 0,30 fracción de combustible requerida para una persistencia suficiente en el combate.

Los motores a reacción se han vuelto mucho más potentes que sus homólogos de las décadas de 1960 y 1970, lo que permite relaciones de empuje/peso mucho más altas. Por este motivo, se pueden lograr distancias de toma y despegue más bajas, incluso mucho más bajas en un portaaviones con catapulta. Este factor anula casi completamente la principal ventaja del ala de geometría variable, la mayor eficiencia a baja velocidad.

Las superficies modernas de control gestionadas por los ordenadores de a bordo también han jugado un papel importante en llevar a la obsolescencia el concepto de la geometría variable del ala, ya que estos sistemas pueden ajustar la forma y el tamaño del ala muy rápidamente, sin la penalización del peso.

Problemas de complejidad y fiabilidad

Cuanto más complejo es un sistema, mayor es el riesgo de que falle. Cuando la Marina de los EE. UU. optó por retirar el F-14 en favor del F-18, uno de los principales motivos fue la terriblemente desastrosa proporción hora de vuelo/mantenimiento. La decisión de incorporar el Super Hornet y el desmantelamiento del F-14 se debió principalmente a la gran cantidad de mantenimiento requerido para mantener a los Tomcats operativos. En promedio, un F-14 requiere casi 50 horas de mantenimiento por cada hora de vuelo, mientras que el Super Hornet requiere de cinco a 10 horas de mantenimiento por cada hora de vuelo.

Se ha llegado a comentar que con una actualización del F-14 se podría llegar probablemente a relaciones 40:1 con nuevos motores GE F110 en vez de los TF-30, pero en promedio, el F-18 requiere 8:1, lo que está en línea con la política de la USN de optar por aviones con una ratio 5-10 a 1. En ese sentido, el F-18 podría generar tasas de salida mucho más altas. Este problema, de la ratio hora de vuelo/mantenimiento en un F-14 podría significar en un momento dado que no se dispusiera de suficientes F-14 cuando más sean necesarios (por ejemplo, si el enemigo lanza un ataque sorpresa al grupo de combate del portaaviones).

Existen además otros puntos flacos en este sistema de geometría variable. Ha ocurrido en alguna ocasión que un lado del mecanismo o su caja de engranajes ha funcionado incorrectamente dejando el lado opuesto con una configuración asimétrica del ala. Si bien la aeronave podría volar en tal situación y aterrizar con cierta dificultad, esto nos muestra claramente un punto crítico a considerar, porque podría producirse en pleno combate si el sistema hidráulico es dañado por el fuego enemigo.

Aquí se puede leer la historia de esta foto.

En resumen

Los contras simplemente superan a los pros cuando se trata de alas de geometría variable. Existen penalizaciones muy importantes en términos de masa, coste operacional y complejidad. Si bien pueden tener algunas ventajas en el despegue y pueden tener un aflechamiento "óptimo" para cada escenario, los inconvenientes son mayores que las ventajas hasta el punto que no vemos en la actualidad aviones modernos con este tipo de dispositivos. Son simplemente un vestigio del pasado en lo que respecta al diseño de aviones. En su día pudieron ser una buena idea sobre el papel, pero cuando se pusieron en práctica en aviones de combate, enseguida se vio que tenían importantes inconvenientes que superaban con creces a las ventajas teóricas. Esta es la razón principal por la que fue rechazada la propuesta de Grumman de construir un F-14 Super Tomcat, de la que podríamos hablar otro día.