"turn fighter" versus "rate fighter"

Dogfighting is all about energy and how you spend it. 

Las BFM son movimientos tácticos realizados por aviones militares durante las maniobras de combate aéreo (ACM o dogfight), para obtener una ventaja posicional sobre el oponente. Las BFM combinan los fundamentos del vuelo aerodinámico y la geometría de persecución, con la física de gestionar la relación energía-masa de la aeronave, denominada energía específica. Las maniobras se utilizan para obtener una mejor posición angular en relación con el oponente.

Gestión de la energía

En combate, un piloto se enfrenta a una gran cantidad de factores. Muchos de estos factores son limitaciones constantes, como la gravedad, la integridad estructural y la relación empuje-peso. Otras limitaciones varían con la velocidad y la altitud, como el radio de giro, la velocidad de giro y la energía específica de la aeronave. El piloto de combate utiliza las BFM para convertir estas limitaciones en ventajas tácticas. Es posible que un avión más rápido y pesado no pueda evadir a un avión más maniobrable en un dogfight, pero a menudo puede optar por interrumpir el combate y escapar picando hacia un vuelo a baja cota o usando su empuje para obtener una ventaja en cuanto a velocidad. Por lo general, una aeronave más liviana y maniobrable no puede optar por escapar, sino que debe usar su mejor radio de giro (más pequeño y cerrado) a velocidades más altas para evadir las armas del atacante y tratar de ponerse detrás de este.

Las BFM son una serie constante de compensaciones entre estas limitaciones para conservar el estado de energía específico de la aeronave. Incluso si no hay una gran diferencia entre los estados de energía de los aviones de combate, la habrá tan pronto como el atacante acelere para alcanzar al defensor. Sin embargo, la energía potencial se puede intercambiar fácilmente por energía cinética, por lo que un avión con una ventaja de altitud puede convertir fácilmente la energía potencial en velocidad. En lugar de aplicar empuje, un piloto puede usar la gravedad para proporcionar un aumento repentino en la velocidad, picando. La velocidad se obtiene a costa de la energía potencial almacenada en forma de altitud. De manera similar, al ascender, el piloto puede usar la gravedad para disminuir la velocidad, conservando la energía cinética de la aeronave al convertirla en altitud. Esto puede ayudar a un atacante a evitar que sobrepase a su oponente, mientras mantiene la energía disponible en caso de que suceda.

El modelo EM

Para poder entender bien el concepto Energía Maniobra (EM) tenemos que empezar por familiarizarnos con lo que decíamos en otro post sobre las dos energías que puede gestionar un piloto. Estas son la altitud y la velocidad. Vamos a explicarlo de una forma sencilla con dos gráficos, ya que es realmente importante para entender los fundamentos del vuelo.

El combustible ayuda a conseguir el empuje necesario para ganar altura o velocidad (o ambas), pero una vez utilizado, este no puede utilizarse para nada más. Por eso decimos que la energía química contenida en el combustible no es intercambiable. De esto también hablamos en otro post. Debajo se puede ver una visión conceptual de lo que se entiende como gestión de energía en vuelo. Nótese que la resistencia (Drag) resta eficacia al empuje.

Se puede ver el mismo concepto en una forma mucho más esquemática o formal (sin llegar ninguna fórmula) debajo. Es lo que se conoce como la analogía de los depósitos o contenedores de energía. Donde la letra E representa un tipo de energía, T es el empuje (Throttle) y D es la resistencia al avance.

La analogía de los contenedores o depósitos de energías describe el papel que juegan el empuje (Throttle) y el elevador en el control de la energía de una aeronave. El empuje (Throttle) controla la "válvula" que regula el flujo de energía total o energía neta, mientras que el elevador controla la "válvula" que regula la distribución de energía entre la altitud y la velocidad del aire. Las flechas representan flujos de energía, no una dirección relativa de fuerzas o flujos de aire. Hay que tener en cuenta que los flujos de energía de empuje (ET) y de resistencia (ED) son unidireccionales. Una vez que la energía del combustible se convierte en empuje, no puede volver a los tanques de combustible. Del mismo modo, la energía perdida a través de la resistencia es irrecuperable. En contraste, el flujo de energía total o energía aprovechable ET-D (es el resultante de la diferencia entre empuje y resistencia), así como los flujos de energía de altitud (Epot) y la velocidad (Ecin) pueden cambiar de dirección a medida que la energía se mueve hacia dentro o hacia fuera de los depósitos. Finalmente, hay que darse cuenta de que la energía almacenada también puede intercambiarse entre depósitos sin perderse. Una vez entendidos los flujos de energía podemos pasar a explicar el concepto EM. 

Los investigadores del departamento defensa de los Estados Unidos han estado interesados durante mucho tiempo en predecir las trayectorias óptimas de los aviones de caza durante el combate aéreo. Los modelos de combate aéreo se basan en parte en la teoría de la maniobrabilidad energética (EM), un concepto importante que vincula el estado energético de un avión con su rendimiento potencial (ver el libro de Shaw, 1985). Basados en esto, los pilotos de combate usan tácticas de gestión de energía para maniobrar y superar a sus oponentes durante el combate aéreo. Uno de los padres de esta teoría fue John Richard Boyd (23 de enero de 1927 - 9 de marzo de 1997), piloto de combate muy respetado en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Boyd participó en la Guerra de Corea, pero es mucho más conocido por haber sido también estratega militar y asesor del Pentágono. Sus teorías han sido muy influyentes en el ámbito de la aviación militar de la segunda mitad del siglo XX. Boyd inspiró el conocido programa Lightweight Fighter (LWF) que dio lugar al famoso y súper ágil General Dynamics F-16 Fighting Falcon y al poderoso y versátil McDonnell Douglas F/A-18 Hornet. Durante la década de 1960, Boyd y el matemático Thomas P. Christie desarrollaron la teoría de la Maniobrabilidad basada en la Energía, conocida también como teoría E-M del combate aéreo.

¿Qué dice esta teoría y por qué es importante para debatir sobre aviones?

La teoría de la maniobrabilidad basada en la energía es un modelo del rendimiento de la aeronave. Es muy útil para describir el rendimiento de un avión como el total de energía cinética y potencial o energía específica de la aeronave. Relaciona en una sola fórmula el empuje, el peso, la resistencia aerodinámica, el área del ala y otras características de vuelo de una aeronave en un modelo cuantitativo. Esto permite, entre otras cosas, predecir y comparar las capacidades de combate de varias aeronaves. También permite saber lo que ganamos y lo que perdemos en términos de energía al hacer modificaciones a las aeronaves. Todos estos aspectos del rendimiento del avión se comprimen en un valor único mediante la siguiente fórmula:

Donde:

• Ps es la energía (aunque dimensionalmente tiene unidades de velocidad)
• V es la Velocidad
• T es empuje (Thrust en inglés)
• D es la resistencia (Drag en inglés)
• W es el peso (Weight en inglés)

La teoría E-M se convirtió en el estándar mundial para el diseño de aviones de combate, pero también es muy útil en aviación comercial para entender las capacidades de nuestra aeronave. Artículos relacionados:

Las energías de un piloto

Gestión y conversión de energía en vuelo

Gravedad y energía para pilotos

Existen muchos gráficos en Internet donde se pueden comparar cazas. Para saber leer estos gráficos es conveniente echar un vistazo a este otro del F-18 con las claves:

rate of turn = grados por segundo que gira tu avión.

El diagrama de gestión de energía del F-18 muestra muy bien que la mejor velocidad de giro instantánea es de poco más de 300 nudos a 15000 pies con la que se consigue una tasa de 18 grados por segundo.

Gráfico que muestea el mejor giro instantáneo y sostenido de los F-15C vs F-16C vs Su-27P vs F-14A vs F-4E

Virajes en el dogfight

Tanto la velocidad de giro (grados por segundo) como el radio de giro (diámetro del giro) aumentan con la velocidad, hasta que se alcanza la llamada "corner speed". Esta velocidad se define como la velocidad mínima a la que se puede generar la carga de fuerza G máxima sostenible (la carga a la que la potencia/empuje es igual a la resistencia), y varía según el diseño estructural del caza, las características de carga del ala, el peso (incluido el peso adicional de los misiles, tanques desechables, etc...) y capacidades de empuje.

A menudo esta velocidad se encuentra entre los 250 y los 400 nudos (460 a 740 km/h). La carga máxima sostenible que puede generar la aeronave también varía, pero suele estar entre 3 y 5 g. En la corner speed, el caza puede alcanzar su velocidad máxima de viraje, volando justo al borde del buffeting (la turbulencia que precede a la entrada en pérdida). Por debajo de esta velocidad, la aeronave se limitará a volar g's más bajas, lo que dará lugar a una disminución de la velocidad de viraje. Si el piloto intenta "tirar" de más g's, la aeronave se sacudirá y entrará en pérdida aerodinámica. Por otro lado, si el caza vuela por encima de su corner speed, podrá sufrir g's más altas, pero al hacerlo, perderá velocidad debido al exceso de resistencia creado. Girar a la carga máxima sostenible a velocidades por encima de la corner speed dará como resultado un aumento en el radio de giro que, en consecuencia, provocará una disminución en la velocidad de este.

El "índice de giro instantáneo" (instantaneous rate of turn) describe los giros que están por encima de la carga máxima sostenible. Estos giros pueden llegar a ser de 9 g's antes de que el piloto comience a perder el conocimiento (G-LOC). Estos giros pueden tener un radio muy pequeño, pero provocan una pérdida de energía, ya sea en forma de velocidad o altitud. Por lo tanto, estos giros son insostenibles, lo que hace que el caza pierda una gran cantidad de velocidad, a veces llegando a la velocidad de pérdida en tan solo un cuarto de giro. Por encima de la tasa de giro sostenida máxima, la resistencia aerodinámica excede el empuje máximo del motor (la aeronave tiene cero "exceso de potencia"), lo que significa que la energía específica de la aeronave se perderá incluso cuando se aplique el empuje máximo del motor. Solo virando con la aeronave en su mejor "velocidad de giro sostenida" se puede mantener la energía específica. Sin embargo, las situaciones en combate pueden requerir un cambio en la energía, y la energía también puede aumentar tirando menos de la fuerza g sostenida máxima. Ver también "Fuerzas g en un looping"

Flujo circular

En un encuentro cara a cara, las aeronaves pueden virar hacia el mismo lado o a lados opuestos. Lo que determinará el flujo del combate será el modo en el que vira el oponente en relación con nosotros. Si dos cazas se encuentran de frente, generalmente harán una pasada neutral a muy poca distancia, llamada "merge". Después del pase, ambos cazas pueden girar para enfrentarse. Si los dos cazas giran en la misma dirección (es decir, ambos giran hacia el norte), se desplazarán uno hacia el otro a lo largo del mismo círculo de giro. Este tipo de encuentro se conoce como "flujo de un círculo". Si las aeronaves giran en direcciones opuestas (p. ej., una gira hacia el norte pero la otra gira hacia el sur), se alejarán una de la otra y volarán para enfrentarse entre sí en círculos de giro separados. Esto se denomina "flujo de dos círculos". Ver imagen.

El flujo de un círculo dará como resultado otra pasada (merge), a menos que se pueda obtener una ventaja angular. Durante el flujo de un círculo, el caza con el radio de giro más pequeño tendrá ventaja. Los pilotos a menudo pueden intentar ceñir tirando de la palanca mientras aumentan el empuje. La cestión es intentar minimizar el radio de giro. Debido a que realmente no importa dónde se encuentran los dos cazas en el círculo, la velocidad de giro tiene poca importancia durante el flujo de un círculo. Por lo tanto, a menudo se le llama "radious fight". Una maniobra que lleva al avión atacante a un distinto plano, como un displacement roll, es una opción viable para reducir el radio de giro. ver imagen.

El flujo de dos círculos también dará como resultado otra pasada (merge). En el flujo de dos círculos, el radio de giro tiene poca importancia, porque lo que realmente marca la diferencia es qué el caza pueda llegar primero al punto del pase (merge). El flujo de dos círculos es un combate de velocidad de giro, y la ventaja angular generalmente se la lleva la aeronave con la velocidad de giro más alta en su máxima performance (corner speed). Una tercera opción se llama flujo vertical, en la que uno o ambos cazas giran hacia el plano vertical. Si ambos cazas suben o bajan, el combate se convierte en un flujo de un círculo. Si un caza sube o baja, mientras que el otro gira horizontalmente, se trataría de nuevo de una versión modificada del flujo de un círculo. Sin embargo, si un caza sube mientras el otro baja, se convierte en un flujo de dos círculos.

En ambos tipos de flujo, es deseable dar una pasada (merge) lo más cercana posible para mantener al enemigo en desventaja angular. Aunque el flujo circular a menudo se describe utilizando pasadas neutrales, el concepto se aplica en cualquier momento en que dos aeronaves maniobran entre sí con respecto al horizonte. Por ejemplo, las "flat scissors" son un ejemplo de flujo de un círculo, mientras que las "vertical rolling scissors" son un ejemplo de flujo de dos círculos.

En resumen: un combate de 1 círculo (1/C) es un combate de radio. 2 círculos (2/C) es un combate de velocidad. Se trata de radio de giro frente a velocidad de giro. Cuándo se utiliza 1/C o 2/C es una cuestión táctica. Por ejemplo, el Viper es muy bueno en combates de 2/C debido a su alta velocidad de giro. En este tipo de combate lo que tratas es de colocarte detrás de tu objetivo, mientras que en el combate 1/C tratas de apuntar con el morro de tu avión lo más rápido posible. Con un F-16 es usual mantener tu velocidad por encima de 350 y alejarte lentamente detrás de tu objetivo para intentar meterte en un combate 2/C. En el Hornet, por ejemplo, vas a intentar reducir energía para entrar en 1/C y tratar de meter el morro de tu avión apuntando al objetivo. 

Comparando los modernos cazas con el Eurofighter Typhoon

El Eurofighter realmente no puede ser comparado con nada parecido a lo que tienen en el inventario los Estados Unidos. La razón es que el caza europeo tiene una concepción, un diseño y una filosofía totalmente diferente a como los estadounidenses se plantean sus objetivos. El Eurofighter Typhoon es uno de los mejores cazas del mundo, probablemente solo superado por el F-22 como caza de defensa aérea, y también un formidable avión de ataque con la opción de realizar reconocimiento avanzado. Todas esas son cosas que EE. UU. lograría de formas muy diferentes a las de los uuarios y potenciales compradores del Typhoon.

Seleccionando algunos de los cazas más conocidos y respetados por su maniobrabilidad, el F-16 tiene una velocidad de giro máxima sostenida de aproximadamente 20 grados por segundo, el F-15 tiene 18 grados por segundo, el Su-30 puede llegar a los 22 grados por segundo. El F-22 tiene una velocidad de giro máxima sostenida de 28 grados por segundo (el F-35 tiene también esa cifra), mientras que el Typhoon puede sostener 27 grados por segundo. Esto pone de relieve las ventajas de los modernos motores que combinan gran empuje con el buen diseño aerodinámico. Hay que tener en cuenta, que la vectorización de empuje tiene poco efecto en la velocidad de giro máxima sostenida, la vectorizació solo mejora la velocidad de giro instantánea.

Por lo tanto, una diferencia de 21 grados por segundo frente a 19 grados por segundo daría como resultado una ventaja de 60 grados para el caza que tubiera el giro más rápido pasados 30 segundos, suponiendo pilotos igualmente buenos y sin cambios en la geometría de combate. Este es un combate 2/C. En 1/C, el objetivo es minimizar tu radio de giro, es decir, la distancia del radio de tu círculo de giro. La aeronave con un radio de giro menor en un combate 1/C logrará una ventaja ofensiva al maniobrar detrás de la aeronave defensora. Todo esto está muy bien...

...pero hoy en día no se llega al dogfight 

Durante la Guerra del Golfo, dos F/A-18 norteamericanos en misión de bombardeo detectaron a un par de MiG-21 iraquies. Rápidamente (sin soltar sus carga de bombas) cambiaron a modo Aire-Aire y dispararon sus Sparrows. Ambos MiG fueron abatidos y los F/A-18 pudieron continuar con su misión de bombardeo. En palabras del comandante Mark Fox, “Esta es la primera vez, que yo sepa, que un avión se anota un derribo mientras transporta cuatro bombas de 2.000 libras y luego continua para alcanzar su objetivo”.

El F-22, el F-35 y el Typhoon entre otros, están diseñados para no tener que llegar a un enfrentamiento cara acara. Estos aviones se han optimizado para combates BVR. El dogfight en estos aparatos es el último recurso. Estos aviones de los que hablamos están diseñados con capacidades de interferencia avanzadas y muy buen radar para atacar a los aviones enemigos antes de que puedan acercarse para entablar un dogfight. 

Tiene capacidades avanzadas de búsqueda y seguimiento de infrarrojos para combatir aviones furtivos. En las maniobras Red Flag los F-22 han demostrado la capacidad de detectar a otros F-22 a una distancia de 80 km, aunque ese dato no es muy fiable. Algo parecido pasa con el F-35. Se comentaba en las Red Flag que el ratio de derribos de los F-35 contra los Eurofighter era de 20:1 Esto quiere decir que por cada derribo de un F-35 hay 20 Eurofighters derribados. Una vez más, el secreto de esta brutal cifra de derribos en los Eurofighter se encuentra en la combinación capacidad BVR + Stealth capability + tecnología. El F-35 puede incluso disparar misiles a oponentes que llegan desde atrás, o si se quedan sin misiles pueden dispararte desde otro F-35... un auténtico alarde tecnológico contra el que poco se puede hacer desde un caza de generación 4.5.

En un dogfight las cosas estarían más igualadas. El Typhoon tiene una formidable velocidad de ascenso para tareas de intercepción aérea y tiene una excelente aceleración transónica por la misma razón. También tiene un buen alcance, y cargado solo con misiles aire-aire tiene capacidad supercrucero.

En lugar de usar un costoso sigilo para la supervivencia, el Typhoon se diseñó para usar avanzados sistemas de interferencia y detección pasiva. No todos los clientes lo han pedido, pero puede equiparse con un conjunto de cámaras similar al Sistema de Apertura Distribuida del F-35 para brindar al piloto una vista completa mejorada y una detección avanzada de aproximación de misiles. Dado que la mayoría de los buenos pilotos de combate pueden evitar un SAM o un misil aire-aire de largo o mediano alcance si saben que se acerca, esto ayuda enormemente a la supervivencia. Una combinación de buenas interferencias, buenas advertencias de aproximación de misiles y buen entrenamiento de pilotos tiene como objetivo proporcionar una capacidad de supervivencia similar en un espacio aéreo defendido hostil a un costo mucho menor que el sigilo.

Las capacidades de ataque del Typhoon también son formidables. Tiene una amplia gama de opciones de misiles, incluidos misiles de crucero lanzados desde el aire y bombas inteligentes de varios tipos. También tiene un buen sistema de puntería para las llamadas bombas tontas, aquellas sencillas y anticuadas bombas de caida libre que el Eurofighter Typhoon puede utilizar cuando sea apropiado.

Problemas logísticos del caza europeo

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que no todos los Eurofighter Typhoon son iguales. Como muchos cazas modernos, el avión tiene muchas opciones de aviónica y, para ahorrar dinero, algunas naciones han hecho pedidos de este avión sin algunas de ellas. Se comenta que los Typhoon más capaces son los aviones británicos, que tienen todas las opciones aire-aire disponibles y la mayoría de las opciones aire-tierra también. Muchas naciones han pedido el avión con pocas capacidades aire-tierra, ya que su uso prioritario para este avión es la defensa aérea nacional. Los italianos, por ejemplo, han pedido que sus Typhoon estén configurados casi en su totalidad para el combate aire-aire con pocas opciones más. Esto es así, porque los italianos utilizan el avión de ataque Tornado y su variante de guerra electrónica para su ataque y supresión de las defensas aéreas enemigas.

Otro de los problemas que se deben tener en cuenta con los Eurofighter es que los pedidos se hacen por tranchas (paquetes o series de aviones). La trancha 1 es la más antigua, la que tiene menos capacidades por estar menos desarrollada. Las tranchas 2 y 3 más modernas tienen muchas opciones, por eso, paises como España están llevando a cabo una modernización de sus aviones trancha 1 para ponerlos a nivel de la 2 y la 3. Este retrofit se está realizando en estrecha colaboración con Airbus en los Eurofighter de Morón. Otros muchos paises usuarios de este avión, como Reino Unido, miran con sumo interés los resultados, pues haciendo cuentas, quizás sea más beneficioso no deshacerse de los antiguos, como pensaban los británicos, y somerterlos a un retrofit como los españoles.

War is boring ...and expensive.