Sobre el extraordinario diseño del F-104 Starfighter

 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 

En 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.

El primer prototipo Lockheed XF-104, número de serie 53-7786.

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 :) 

Parte II - aerodinámica y envolvente de vuelo

Las características generales de manejo del F-104 eran buenas, aunque no las óptimas para un avión dedicado a la caza pura y dura. El F-104 adolecía de una alta carga alar, la cual incluso aumentaba cuando portaba cargas exteriores montadas en las alas. No era un avión difícil de pilotar si se seguían las normas, pero había que hacerlo según lo que decía el manual, de cualquier otra forma este avión te podía matar. Así de claro. Se decía que no era problema del avión... era un avión honesto: "It’s an honest airplane, If you make a mistake, it will kill you". Debido a su afinada aerodinámica había que pilotar el avión mentalmente muy por delante, pues era un avión ultra-rápido. 

Para evitar las regiones de vuelo peligroso debido a un alto ángulo de ataque, el avión tenía un dispositivo llamado "stick shaker" o sacudidor de la palanca de control de vuelo. Con estas sacudidas o vibraciones el piloto rápidamente se daba cuenta de que entraba en un área donde podía ocurrir la pérdida a gran velocidad. En caso de que el piloto decidiera ignorar esta señal, el sistema contaba además con un Stick pusher, que como su nombre indica lo que hacía era llevar la palanca de control hacia abajo automáticamente, con el fin de reducir el ángulo de ataque. A pesar de estos sistemas de protección, el piloto podía tomar la decisión de puentearlos u "override" (...que es la palabra inglesa para decir "saltárselo a la torera"), aunque el manual de vuelo desaconsejaba tal acción por peligrosa.Cuando el F-104 entraba en actitudes de morro arriba muy extremas con alto ángulo de ataque, tendía a entrar en barrena, las cuales a menudo eran imposibles de recobrar incluso teniendo mucha altitud. A diferencia de otros cazas, como el McDonnell Douglas F-4 Phantom II, por poner un ejemplo, el F-104 tenía un solo motor y si este fallaba el aparato adolecía de un buen gradiente o régimen de planeo sin potencia debido principalmente a su pequeña ala. A decir verdad decir régimen de planeo y F-104 es casi un oxímoron, para muestra ver el gráfico siguiente. ¡La mejor velocidad de planeo son nada menos que 240 nudos! ¡...y la distancia recorrida desde 30.000 pies son sólo 28 millas náuticas!

Compárese estos datos con el famoso caso del Airbus A330-200 (el vuelo 236 de Air Transat) que cargado con más de 300 pasajeros abordo, se quedó sin motores en mitad del Atlántico a esa altura (30.000 pies), y pudo planear más de 65 millas sin motores hasta aterrizar el las islas Azores. Para poder llegar a esa distancia, un F-104 debería de volar a más de 70.000 pies, tal como se puede ver en el gráfico.

El ala, la resistencia, el CG y sus implicaciones

En general, se puede decir que para un ala con una forma y un tamaño determinado, cuanto más sustentación produce (en unas condiciones dadas) mayor resistencia inducida al avance genera. Aunque esta relación entre sustentación y resistencia es importante para todos los aviones, lo es más todavía si cabe para los aviones militares de caza, ya que la misión de estos implica maniobras con altos factores de carga o G's (generando gran sustentación). La resistencia inducida se minimiza diseñando alas de gran superficie con largas y finas formas. La forma final del ala influye sobremanera en este sentido. Para aviones subsónicos la planta alar elíptica, que hizo mundialmente famoso al caza Spitfire de la II GM, es en teoría la forma óptima. Sin embargo, otras formas alares también se han demostrado eficaces aportando además algunas ventajas adicionales.

Reducir el peso de la aeronave es otro factor crítico que minimizará la resistencia inducida y tal como hemos visto en el post anterior, esto es lo que trajo de cabeza a los diseñadores del Modelo 83, logrando unos increíbles 12.750 kg al descartar todo lo considerado como superfluo. Menos peso requiere generar menos sustentación en un viraje cerrado de altas prestaciones y como resultado ello acarrea una reducción de la resistencia inducida. El centro de gravedad de la aeronave (CG o "center of gravity") también tiene un gran efecto alterando el peso aparente del caza.

Origen de la resistencia inducida 

La figura siguiente muestra cómo ocurre esto. Tal como se puede ver, en este F-104, existe un peso (W) dado para una sustentación (L). En vuelo recto y nivelado se cumple que las fuerzas están equilibrio y W = L o en otras palabras, el peso del avión es soportado por la sustentación generada en las alas. De la misma forma no existe torque o momentos de cabeceo. La existencia de estos causarían que la aeronave se encabritará o picará ("pitch nose-up" o "nose-down"). Como el vector peso actúa tirando o a través del centro de gravedad (CG) y la sustentación lo hace a través del centro de presiones (AC o "aerodynamic center") del ala, que se encuentra más atrás en relación al CG, estas dos fuerzas causan un par o momento bajando el morro del avión.

Con el fin de mantener un vuelo recto y nivelado bajo estas condiciones, la cola en T del F-104 debe de producir una fuerza que compense hacia abajo (llamada downforce como en la F1 o downward lift (Lt)). En el momento que la cola genera esta fuerza compensatoria XWL = XtLt. Esta fuerza compensatoria de la cola del caza sin embargo, debe también ser soportada por la sustentación de las alas que deben de generar más sustentación (en realidad es peso adicional creado por la cola pero que en el montante total debe de ser compensado por el ala). De esta forma vemos que un factor de carga dado lo que hace es aumentar tambien la resistencia inducida. Esta resistencia inducida es conocida en el mundo de los aerodinamicistas como "trim drag" o resistencia de compensación.

Si el CG se moviera hacia atrás (por medio del trasvase de combustible, o bien por una redistribución de cargas, etc) hasta que coincidiera con el AC, entonces se lograría eliminar la necesidad de que la cola generara el "downforce" y por ende desaparecería el "trim drag". Un movimiento excesivo hacia atrás del CG requeriría una generación de sustentación (hacia arriba esta vez) de la cola, lo que en definitiva ayudaría también a reducir la resistencia inducida, ya que en el monto total habríamos aumentado el área total de sustentación del avión. En la práctica existen límites físicos con respecto a la cantidad de posición retrasada del CG debido principalmente a consideraciones de maniobrabilidad.

Los cazas convencionales (colas que compensan el cabeceo) suelen volar y maniobrar mejor con CG retrasados, mientras que los cazas que montan planos Canard (pequeños planos situados por delante del ala como el Eurofighter Typhoon), se benefician en el vuelo de un CG adelantado.

Según fueron aumentando las velocidades de los cazas con el tiempo, se acabó encontrando el fenómeno de la compresibilidad. Cuando el avión se mueve en el aire se van creando ondas de presión que se propagan en todas direcciones a la velocidad del sonido. Las ondas de presión que avanzan hacia adelante y por delante del avión, generan una especie de apilamiento de partículas de aire, como si advirtieran al aire que hay delante del avión de que este se aproxima, al tiempo que las moléculas de aire se apartan del propio camino del avión impulsadas por dichas ondas. De esta forma el aire se comienza a apartar incluso antes de que el avión llegue. Este efecto conlleva que se reduzca la resistencia por presión. Pero una vez que se alcanza la velocidad del sonido, la aeronave adelanta a la onda de presión y empieza a colisionar con las moléculas de aire apiladas justo delante. Esta transición ocurre sin previo aviso. En ese momento el aire debe de ser apartado instantáneamente en un proceso que crea la conocida "onda de choque" o "shock wave". Las ondas de choque son un método bastante ineficiente de apartar o cambiar la dirección del flujo de aire y acaban creando mayor resistencia añadida, a la cual se la conoce en inglés como: "wave drag", "compressibility drag" o "Mach drag". El aire tiende a acelerarse al pasar por las superficies curvadas, por lo que en un momento dado se pueden tener ondas de choque en distintos estadios de formación y flujo de aire supersónico a lo largo del fuselaje del avión y de sus alas incluso cuando el propio avión se encuentra en un régimen de vuelo subsónico. La velocidad a la que se forma la primera onda de choque en un avión se llama "critical Mach" o número de Mach crítico, siendo este número la relación entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido en el aire. El Mach crítico o MCR (Critical Mach) en los modernos aviones de combate se encuentra usualmente en el rango del 80 al 90 por ciento de la velocidad del sonido (Mach .8 o .9), mientras que los aviones comerciales medios se sitúan entre el .78 y .82.

En rangos de vuelo subsónico y subsónico bajo es posible tener una mezcla de flujo subsónico y supersónico en las superficies del avión, esto se conoce como régimen transónico. Aparte de incrementar la resistencia de presión (pressure drag), la onda de choque tiende a crear turbulencias y a aumentar la resistencia de fricción (parásita) en la superficie del fuselaje y de las alas. Cuando un avión vuela en régimen supersónico el AC o centro aerodinámico tiende a desplazarse hacia atrás. Ello implica un aumento del "trim drag" (compensación que evita la tendencia a picar). Debido a esta combianción de efectos, la resistencia inducida por la onda de choque (wave drag) es el factor más importante que genera resistencia a velocidades superiores al MCR (Mach crítico). 

Los cazas empezaron a encontrarse con los primero problemas de vuelo debidos a la compresibilidad allá por los años 30, generalmente eran grandes pérdidas de eficacia en las hélices porque las puntas de las palas tenían velocidades por encima de su MCR. Ya en los 40 los propios aviones eran tan rápidos que parte de su superficie y en las puntas de las alas se alcanzaban los límites de la compresibilidad, generando picados desde gran altitud, que aparte de los problemas asociados a la onda de choque también creaban serios problemas de controlabiliad del aparato.

Las técnicas desarrolladas para minimizar estos efectos de la resistencia generada por la onda de choque y a la vez incrementar el MCR, fueron: 

1. reducir el área de la sección transversal del fuselaje
2. filar al máximo los bordes de ataque
3. aflechar las alas

La forma tan familiar de la botella de Coca-cola ilustra muy bien lo que se conoce como "regla del área" y es lo que se aprecia en muchos cazas modernos, donde las secciones transversales del fuselaje pasan de unas a otras de forma muy suave y continua sin cambios abruptos desde el cono de la punta hasta la cola.

La envolvente de vuelo (V-n diagram) del F-104

Como decimos, las alas del F-104 tenían solamente el 3% del grosor, poca envergadura y muy poca superficie alar, casi sin aflechamiento. En su punto de mayor grosor (la raíz), el ala solamente alcanzaba los 107 mm. Con este grosor no se podía poner casi nada dentro del ala, desde luego nada de pensar en embutir el tren de aterrizaje y mucho menos el combustible (estaba en el fuselaje, por ello este es tan largo).  En el gráfico inferior se puede ver la envolvente de vuelo de este avión.

Una de las cosas que más sorprenden son las líneas punteadas en verde. Etas líneas corresponden a las velocidades importantes que limitan y que se deben de respetar en este avión.

La Vs es la velocidad de pérdida (cuando el avión se cae, ver entradas relativas en este blog), la Vc es la velocidad de maniobra (la máxima velocidad a la que se pueden mover los controles de vuelo hasta su máximo recorrido sin dañar la estructura) y la Vd es velocidad de diseño de la aeronave, aquella que si se sobre pasa significa la desintegración literal de esta. 

En el eje de ordenadas (vertical), se puede el número de G's máximo que puede aguantar la estructura de la aeronave. En el eje de abscisas se puede ver la velocidad máxima a la que se pueden obtener estos factores de carga o G's. La parte coloreada de rojo significa fallo estructural, mientras qe las líneas de altura significan pérdidas aerodinámicas. si se compara el área de esta gráfica con las de los aviones convencionales uno se puede dar cuenta de lo increíblemente bien diseñado que estaba este avión para la época en la que se concibió. Otro estudio interesante sería la comparación de este modelo con algunos de sus coetáneos, como los que se pueden ver en la foto inferior (F-100, F-101 y F-102).

Limitaciones

• Vmo 750 KCAS *575 below 25,000 Ft if tip tanks have 16.5 inch vanes
• Mmo Mach 2.0 Mach 1.9 With Tip Tanks
• Vfe - Takeoff 450 KCAS / .85 Mach N/A below 330 KIAS
• Vfe - Extended or Retracting 520 KCAS / .85 Mach N/A below 350 KIAS
• Vfe - Land 240 KCAS
• Vlo 260 KCAS
• Vle 295 KCAS
• Acceleration Limits Below 1.9 Mach + 7.33 / - 3.0 W < 5000 Int Fuel
• Mach 1.9 or above + 4.50 / - 2.8 W > 5000 Int Fuel
• Above 1.9 M & FL 400 + 2.20 / - 2.8

XF-104 s/n 53-7786 with early models of the F-100, F-101 and F-102

Fin de la parte II, en la siguiente parte vamos a ver un poco la aviónica de este modelo, que es algo que alguno de los lectores de este Blog espera con ansiedad :) espero no defraudar.

Parte III Armamento y aviónica

Con su diseño se procuró sobre todo conseguir simplicidad y gobernabilidad: dotado de un único turborreactor y una ala de pequeñísima envergadura. Poseía un equipo operacional bastante reducido y se distinguïa especialmente por su elevadísima velocidad. Un avión impresionante para su momento y discutido donde lo haya, pero que para el Ejército del Aire español representaba el salto de la época subsónica al Mach 2. Por espacio de un lustro fueron los únicos interceptadores supersónicos con que contó el Ejército del Aire.

Con ellos se iniciaron los primeros ejercicios de interceptación a velocidad supersónica, operaciones de bombardeo con bombas frenadas por paracaídas y todo con unos niveles de seguridad no igualados ni en Europa ni en los EE.UU. La versión F-104G, desarrollada para Alemania y otros países de la OTAN, fue la utilizada por nuestro Ejército del Aire en 21 ejemplares (18 monoplazas F-104G y 3 biplazas TF-104G). Con su motor General Electric J79 de 7.165 Kg, de empuje con postcombustión, el C.8 (denominación oficial en el Ejército del Aire) poseía una fenomenal capacidad de aceleración y trepada. La producción total ascendió a 2.282 ejemplares. En España, el F-104G equipó un solo escuadrón (el 161, más tarde rebautizado 104 Escuadrón) desde 1965 hasta 1972. Los pilotos españoles no perdieron un solo F-104G en estos siete años, tras más de 17.000 horas de vuelo.

La aviónica del F-104G

El F-104G tenía 12 sistemas de aviónica que se encargaban de las dos funciones principales del aparato: Control de armas y comunicaciones-navegación-identificación, esta última función estaba altamente integrada. Muchos sistemas estaban dispuestos en cofres de aviónica o compartimentos situados en el lomo del avión detrás de la carlinga de pilotaje. Estas bahías de aviónica eran comúnmente llamadas "Jeep cans" en el argot de los mecánicos de electrónica debido a que se parecían mucho a los famosos bidones de combustible de 4 galones del mítico todoterreno. Algunos elementos del equipo de aviónica tenían ya integrada por aquella época la capacidad de autocomprobación (integridad y continuidad) nada más aplicar corriente. El mantenimiento de la electrónica estaba también pensado para poder ser realizado a pie de pista y despachar el aparato para que realice su misión lo antes posible.

El sistema de control de armas

Esta parte de la aviónica del F-104 estaba producida por Autonetics, que era una división de North American Aviation. La división "Electro Sensor Systems" de esta compañía era la encargada de fabricar los radares multimodo monopulso F-14 y F-15, más conocidos como NASARR (North American Search And Ranging Radar). El sistema R-14 se instaló en el F-105 Thunderchief, mientras que el más moderno y avanzado F-15 con capacidad de seguimiento del terreno Terrain Following fue instalado en el F-104 Starfighter. Ambos radares estaban dotados de capacidad de control y puntería Time On Target (ToT) que ofrecía una gran cantidad de precisión en el disparo. Ambos radares eran de la era "pre-solid state", por lo que todavía utilizaban las famosas y entrañables válvulas electrónicas de vacío (...que tanto me costó entender cuando las tuve que estudiar en la escuela de Especialistas del EA).

El NASARR era el ojo que todo lo ve del F-104G. Fue desarrollado en 1957 y fue licenciado a cuatro compañías europeas para su producción fuera de los USA. Autonetics recibió contratos por valor de 44 millones de dólares de la época por estas licencias de producción de piezas y componentes.Cada radar NASARR pesaba unos 150 kg y estaba valorado en unos 100.000 dólares. Las capacidades operativas y los modos de operación del NASARR  fueron especificados a finales de 1959, siendo el primer requerimiento inicial la capacidad de seguimiento del terreno y control de ataque para bombardeo de blancos. La capacidad de ataque aire-aire se añadió un poco más adelante.

El radar monopulso NASARR F-15A

Un momento Manolo... ¿Si no sé bien cómo funciona un radar, cómo voy a entender lo que es un radar monopulso? No problem... para saber más sobre los principios del radar te invito a leer el post dedicado precisamente a eso aquí:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/el-radar-meteorologico-en-los-aviones.html

El NASARR era un radar que operaba en la banda X del espectro electromagnético y lanzaba (a la velocidad de la luz, que es la velocidad a la que van las ondas de radio) pulsos de esta naturaleza. Este tipo de radar tenían más resolución que los antiguos sistemas dotados de antenas parabólicas mayores y era menos propenso a sufrir contramedidas electrónicas "Jamming". En la ilustración que acompaña el texto se puede ver la antena o parábola, la guía de onda  y la circuitería de uno de estos radares. El conjunto estaba estabilizado y encerrado dentro del morro del avión que estaba recubierto por el cono de fibra de vidrio muy puntiagudo (al límite de lo técnicamente posible sin perturbar la señal del radar) y que además era capaz de soportar impactos de granizo, lluvia y hielo incluso a más de 1.400 millas por hora. El equipo era tan potente que generaba 4.000 Watios en forma de calor. Al usarlo en pruebas de tierra se tenía que utilizar un equipo especial para refrigerarlo.

Los radares monopulso a diferencia de los más antiguos de barrido cónico, dividían el haz iluminador en dos. Estas dos mitades del haz salían de la antena en dos direcciones diferentes (con muy pocos grados de diferencia). Cuando las dos señales reflejadas eran recibidas, se mandaban a la unidad de amplificación por separado, de forma que más tarde se pudieran comparar la una con la otra. Hay que tener en cuenta que todo esto ocurre en un radar muy rápido, estamos hablando de micro (10^-6) segundos o lo que es lo mismo millonésimas de segundo (osea "mu" ràpido). La comparación de ambas señales indicaba en que dirección se encontraba el mejor retorno (la señal más fuerte), y por lo tanto la dirección relativa del blanco con respecto al haz iluminador. Al realizarse esta comparación entre haces dentro de un pulso (cuestión de microsegundos), los cambios de trayectoria del blanco no tienen efecto en dicha comparación.  

Los elementos del haz se dividían en dos en la antena. Cada uno de estos elementos de la antena se posicionaban simétricamente en el plano focal de cada uno de los lados del eje principal, llamado a veces eje de iluminación o  boresight axis en inglés.  Durante la transmisión (Tx), la antena emitía radiación electromagnética representada en azul en la imagen, que era la suma de los haces amarillos. En la recepción (Rx), se podía obtener un eco desde cada uno de los dos lóbulos amarillos y de esta manera determinar la posición del blanco por cálculo diferencial. Por ello los lóbulos amarillos se denominan ΔAz, o Delta azimuth.

Para crear los dos lóbulos o haces y poder efectuar la comparación, cada uno de estos lóbulos debía de ser claramente distinguido. Para ello lo que hace el radar es dividir el pulso en dos, de forma que cada mitad se polarizaba por separado antes de abandonar la antena emisora. Esta antena tenía un elemento central que además permitía el lanzamiento de ambos pulsos en dos direcciones ligeramente desviadas del eje central. Los dos haces se solapaban en el eje central de iluminación. Una vez lanzado el pulso especialmente polarizado, se invertía la polarización, que en la práctica es como si se rotara el haz iluminador (de forma similar a como lo hacían los radares de barrido cónico). Cuando se recibía el eco, las señales se volvían a separar de nuevo, a una señal se le invertía el voltaje y luego se efectuaba la suma de ambas ( en la imagen). Si el blanco se encontraba en un lado del conjunto de haces, la suma resultante sería positiva y si estaba en el otro lado la suma sería negativa.

El NASARR no solo hacía todas estas cosas para detectar y seguir los blancos, este fabuloso radar adelantado a su tiempo también podía mapear el terreno para su evitación, algo que mucho tiempo después haría extremadamente bien el famoso Tornado. El NASARR por lo tanto era el elemento clave no solo del control de  ataque, sino que jugaba un papel central en el resto de funciones secundarias. 

En su asistencia al control de fuego, el NASARR calculaba con extremada precisión la aritmética de la famosa caza-curva, que no es otra cosa que el cálculo de tiro con la predicción de la posición del blanco en un periodo de tiempo determinado. Se trataba de calcular la posición en el espacio delante del blanco, para que cuando este pase por el se encuentre con la andanada de balas que previamente habíamos disparado... tal cual hacemos con las perdigonadas cuando cazamos aves con escopeta, simplemente apuntamos delante de su trayectoria de vuelo. Luego veremos más sobre el M61A1 Vulcan, los 20 mm Vs 30 mm y el cálculo de los impactos. Lo que el NASARR hacía de forma muy eficaz era localizar y "blocar" el blanco para efectuar todos estos cálculos tanto del cañón como del lanzamiento de misiles y bombas para el ataque al suelo. 

Con el fin de ayudar al radar en todas estas tareas, el sistema estaba dotado de sensores electro-ópticos e infrarrojos. las maniobras de ataque aire-aire con el M61A1 Vulcan de 20 mm se podían hacer tanto en persecución como en rumbo de colisión. 

En cuanto a la navegación del terreno, este radar estaba muy afinado en la consecución de adquisición, blocaje y seguimiento de blancos en tierra con evitación del terreno. El mayor problema con el que se enfrentaban los pilotos en realidad era la forma de sacarle partido a este fabuloso radar cuando se vuela en supersónico a baja cota y entre montañas. Saber leer las indicaciones de la pantalla, interpretar la simbología y manejar todos los modos con eficacia requería mucha preparación técnica, calma, habilidades de pilotaje y sobre todo entrenamiento. Todo esto debía de estar acompañado de un exhaustivo briefing pre-vuelo donde se debía de discutir los pormenores de la operación con todo detalle. En este avión ocurría algo parecido a lo que ocurre hoy en día con la Formula 1. Todos los pilotos de la parrilla son buenos, de eso no hay duda. Para estar en F1 se da por hecho que eres un buen piloto. Lo que marca la diferencia es el partido que le puedas sacar a tu bólido... y ojo, los expertos se fijan más en esto que en los que ganan carreras cuando se trata de calificar a un piloto como excelente. Aquí pasa tres cuartos de lo mismo. Un piloto de F-104 debe de tener grandes dotes para poder operarlo con eficacia y sacarle el máximo rendimiento a la aviónica.

Modo de búsqueda aire-aire 

En este modo de escaneo el radar NASARR efectúa un barrido lado a lado por delante del morro del F-104 en forma de abanico con su haz de energía electromagnética. La antena cambia la inclinación (tilt) al final de cada barrido para cubrir los sectores frontales con cierto grado de profundidad. Cuando se localiza un objetivo el piloto presiona el botón "action/reject" en su palanca de control (botón N°4 en la ilustración) para que el  sector que cubre el haz de radiación del radar se haga más estrecho enmarcando en un espacio más reducido la posición del eco generado por el blanco. En ese momento el piloto presiona de nuevo el botón  "action/reject" para blocar el blanco. A partir de ahí la pantalla de presentación cambia al modo de seguimiento que muestra la típica cruceta con el punto (el blanco) y todo ello rodeado de un anillo semicircular que indica la distancia (range). El armamento se controla automáticamente de acuerdo con lo que se haya especificado previamente en el computador de armamento, pudiendo hacer fuego el sistema automáticamente.

Comunicaciones-navegación-identificación

El grupo de comunicaciones-navegación-identificación estaba formado principalmente por el sistema Inercial LN-3 de Litton Industries, el radiofaro indicador IVB y el calculador de posición de Computing Devices of Canada. Ademas de estos sistemas, el F-104 estaba equipado con el computador de datos del Aire (ADC) de la casa AiResearch y el piloto automático MH-97G de Hoeneywell.  Todos estos dispositivos de aviónica estaban interconectados entre si y además estaban integrados con el sistema de puntería y control de fuego del sistema NASARR. Como vemos todo un logro tecnológico para la época en la que fue diseñado.

Manolo, todo esto me suena a chino... No problem:

Para saber más sobre lo que es un Inercial:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/01/el-sistema-de-enagosto-de-1958-el.html

Para saber más sobre el TACAN ver post dedicado al VOR:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/el-sistema-vor.html

Para saber como funciona un piloto automático:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/11/el-funcionamiento-del-piloto-automatico.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/11/el-funcionamiento-del-piloto-automatico_20.html

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/11/el-funcionamiento-del-piloto-automatico_21.html
Para saber como funciona un ADC:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/09/sistemas-de-datos-del-aire-adc.html

Como subsistemas de comunicaciones nos encontramos con la radio AN/ARC-552 en UHF de la casa Canadian Collins, la cual podría incluir hasta tres canales de reserva, el sistema de navegación militar TACAN modelo AN/ARN-52 de la casa I.T. & T y el sistema de identificación amigo/enemigo AN/APX-46 IFF de Hazeltine. Todos estos equipos fueron transferidos para que se pudieran producir en Europa como parte del programa de contraprestaciones. Nos podemos hacer una idea de como fueron los comienzos de la transferencia tecnológica en aquellos días. Las industrias electrónicas del viejo continente que trabajaban para defensa, recibieron de los americanos varios conjuntos de "cajas negras" (un total de 24 conjuntos), las cuales inspeccionaron y comprobaron en los bancos de pruebas. Un proceso altamente  laborioso pensado por los norteamericanos para no dar a conocer la documentación verdadera, que solo ellos poseían y conocían en su totalidad. Era como un "yo te lo dejo, pero no me lo rompas que soy el dueño y solo yo sé como funciona".

Algunas fotos en 360° que ayudan a darse cuenta de la aviónica de este aparato:

Alta resolución 360°: http://i-ota.net/F-104Starfighter/F-104FrSeat150106/

Radar: 

http://i-ota.net/F-104Starfighter/F104RadarLeft141120/

http://i-ota.net/F-104Starfighter/F104RadarRtTop141120/

Curiosidades de algunos modelos

La grabación de datos

Debajo se puede ver una "casette" de los de toda la vida, como las que usábamos para escuchar música y grabar, pero por aquel entonces era algo muy avanzado. Esta cinta magnética se utilizaba para muchas cosas, una de ellas era recoger datos y parámetros de vuelo para su posterior análisis por parte de mantenimiento. 

El asiento lanzable

El asiento lanzable que inicialmente se montó en los F-104 se eyectaba hacia abajo... increíble pero cierto. Se llamaba C-1 y estaba fabricado por los norteamericanos (Stanley). La idea inicial era la de librar la cola alta del F-104 que podía impactar en el cuerpo del piloto matándolo si este salía hacia arriba como en las sillas convencionales. este modelo fue sustituido por el más avanzado C-2 y posteriormente por los mucho mejores asientos Martin-Baker que permitían una eyección cero-cero (cero velocidad y cero altura, esto es desde parado y dando margen suficiente para que el paracaidas se abra sin problemas).

El reconocimiento fotográfico

Parte del equipo que se le podía montar a los F-104G era un sistema óptico para el reconocimiento fotográfico. El sistema se llamaba LOROP y fue desarrollado en los años 80. Requería un cono de morro (radome) modificado con las correspondientes aperturas para la óptica. Este cono era intercambiable con el estándar.

Sobre el cañón Vulcan M61A1

Hoy en día ningún avión de caza que se precie puede llamarse así si no monta un cañón como es debido. Esta es una de las consecuencias y lección bien aprendida de la guerra de Vietnam (el regreso al interior del caza del cañón). 

 El M61 Vulcan es un cañón rotativo, tipo Gatling, de seis cañones de calibre 20 mm con una cadencia de tiro muy elevada. Es accionado neumática o hidráulicamente, disparado eléctricamente y refrigerado por aire. El M61 y sus derivados han sido el principal armamento de cañones de los aviones militares estadounidenses durante las últimas cinco décadas. Originalmente fue fabricado por General Electric, y tras varias fusiones y adquisiciones, actualmente es producido por General Dynamics. Este arma puede disparar hasta 6.000 proyectiles de calibre 20 mm por minuto ...o lo que es lo mismo, la barbaridad de 100 proyectiles por segundo, que pueden ser combinaciones de munición incendiaria, perforante, trazadaora, etc. Esto es una auténtica barbaridad en cuanto a potencia de fuego se refiere..

Mucha gente me dice que si esto no es una ametralladora. ¿Por qué le llaman cañón? La respuesta viene con los milímetros, no con la cadencia de tiro. A partir de los 20 mm (incluidos) se les llama cañón, de ahí para abajo son ametralladoras. Otra gran controversia viene de la mano del milimetraje y de la cadencia de tiro precisamente. ¿Qué es mejor, más cadencia de tiro con pocos milímetros o menos cadencia con proyectiles "gordos"? Por lo general los cañones de los cazas suelen oscilar entre los 20 mm del Vulcan, los 25 mm del cañón del F-35, los 27 mm del Mauser y los 30 mm o treinta y tantos de algunos modelos rusos. Los norteamericanos que de esto saben un rato (más que nada porque se han visto envueltos en casi todos los "fregaos"), casi siempre se han decantado por el 20 mm para los cazas y han dejado los 30 mm (de uranio empobrecido) para salvajadas destroza carros del tipo que monta el A-10 para apoyo y ataque a tierra. Con una cadencia de tiro como la del Vulcan con asistencia hidráulica se consigue una especie de "perdigonada" o nube de proyectiles que tienen una alta probabilidad de hacer impacto en la peor situación posible que es la que se muestra a continuación.




La peor situación posible es cuando un caza supersónico se cruza a 90° por delante del nuestro a unos 500 nudos de velocidad. En estas condiciones si le metemos un impacto con un 30 mm seguramente lo destrozamos, pero la cadencia de tiro de estos cañones no es tan alta como las de los Vulcan con 20 mm. Si se hacen los cálculos matemáticos de lo que ellos llaman el Kill Probability Ratio, sale más a cuenta poder tener una probabilidad de cuatro impactos de 20 mm en la célula de un caza, que una probabilidad menor con los 30 mm. En el F-104 se optó precisamente por esta posibilidad después del estudio de las maniobras y de las características de los aviones soviéticos de aquella época.

Otra de las cosas que había que tener en cuenta para un derribo (Kill) era la de prever cual iba a ser la posición del avión blanco cuando se hacía una persecución en pleno dog-fight. Para ello precisamente el NASARR que equipaba al F-104 podía calcular con mucha precisión esta anticipación que en inglés se denomina "lead" y nosotros lo llamábamos en la academia cálculo de la "caza-curva". El calculador de tiro se las arreglaba para operar con los datos físicos de peso, inercia, etc y así darnos la situación ideal de disparo por delante del caza enemigo, tal como se muestra en la ilustración inferior.

En la imagen de abajo se pueden apreciar los seis tubos del cañón Vulcan M61A1. Este tipo de cañón también equipa a los F-18 del Ejercito del aire.

No he querido extenderme mucho más en el radar NASARR por no hacer el post muy largo, pero para los interesados en el tema y para tener una explicación detallada de la operación de este magnífico radar se puede ir al link que pongo a continuación (manual solo en inglés... sorry):
 https://drive.google.com/file/d/0B88ArhBuv-vsRUhIX2pQZzZEVDA/view?usp=sharing