F-5 vs T-38 y el mecanismo que dio lugar a los LEX

El Northrop T-38 Talon es un avión de entrenamiento avanzado usado normalmente para la enseñanza de técnicas a velocidades supersónicas, acrobacias, formación, vuelos nocturnos por instrumentación y navegación a pilotos recién graduados. En Estados Unidos, más de 60.000 pilotos lo han usado como entrenador. El T-38 Talon también es utilizado por la NASA para entrenar a sus astronautas.

Podríamos decir que la belleza en un avión proviene de una simetría de componentes, una identidad coherente y una presencia convincente. A veces la elegancia de líneas y unas proporciones agradables hacen que un avión sea rotundo. Dejando a un lado su letalidad o eficacia como avión militar de caza o entrenamiento, se puede decir que el F-5 y el T-38 talon son aviones bonitos. Sin embargo, muchos aficionados piensan que el F-5 es un derivado del entrenador T-38. Nada más lejos de la realidad. Son aviones bastante diferentes. 

Ambos son el resultado de los estudios elaborados con el Northrop N-102 que se muestra a continuación. Este avión fue propuesto a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en 1953. El Fang fue diseñado explícitamente como un "caza ligero" en respuesta directa a lo que Northrop claramente predijo con respecto a los costes de adquisición de un caza  moderno. El peso, tamaño, complejidad y costo daban lugar a que los cazas occidentales fuesen cada vez más costoso. Si bien el Fang finalmente fue pasado por alto en favor del Lockheed F-104 Starfighter, el interés de Northrop en el concepto de caza ligero finalmente llegaría a buen término con el F-5 Freedom Fighter, generando a su vez una familia de cazas muy exitosos.

El Fang iba a ser propulsado por un único motor General Electric J79 similar al F-104 Starfighter. Poco después, General Electric desarrolló un motor más pequeño, sobre el cual Northrop decidió rediseñar el avión. El nuevo N-156 invertiría la tendencia en el desarrollo de cazas, con aviones cada vez más grandes y pesados. En aquel entonces, la USAF planeaba retirar sus Lockheed T-33. Northrop aprovechó esto para adaptar el N-156 durante la etapa de diseño para crear una versión tanto de caza como de entrenamiento. El N-156T realizó su primer vuelo el 10 de abril de 1959. En la foto que sigue se puede ver el encastre directo del ala con el fuselaje.

El N-156F realizaría su primer vuelo 3 meses después, el 30 de julio de 1959. El encastre del ala difiere en la parte delantera, como se puede apreciar en las fotos.

El caza F-5 viene del N-156F, por lo tanto, no fue desarrollado a partir del entrenador o viceversa. Uno no fue modificado para producir el otro, ambos se desarrollaron al mismo tiempo a partir del mismo proyecto principal.

Las diferencias entre el F-5 y el T-38

El F-5 Freedom Fighter se diferencia por sus extensiones de raíz redondeadas en el borde de ataque, soportes en las puntas de las alas para tanques de combustible externos, así como puntos de anclaje debajo de las alas para armas o combustible. 

El F-5 también tiene un morro distinto conocido como "shark" por ser más achatado, como la cabeza de un tiburón. Esto se debió a la necesidad de acomodar los dos cañones de 20 mm en el morro. El F-5B fue construido como un entrenador con capacidad de combate para el F-5A, pero se le quitaron los cañones delanteros para dejar espacio para el piloto adicional. Otra característica importante y que los diferencia fundamentalmente es que el T-38 no tiene slats en el borde de ataque de su ala. El F-5, por el contrario, incorpora los slats. El F-5 los necesita para poder despegar desde pistas relativamente cortas con una carga de armamento en sus pilones considerable. Después de todo, el F-5 era un avión de combate. Para poder crear la sustentación necesaria pronto se tomó la decisión de instalarlos. Cuando los ingenieros de Northrop pensaron en ponerle estos nuevos slats uno de los principales problemas fue dónde colocar el motor (considerablemente grande) que los debía mover. Después de varias discusiones se optó por ponerlos en la raíz del ala. Una vez instalados se carenaron convenientemente y eso es lo que se puede ver en las fotos del F-5.

Un T-38 sin slats y encastre directo del ala.

Un F-5 con los slats y la carena del mecanismo de estos en la raíz del ala. 

Un F-5 con su característica nariz de tiburón y sus dos cañones de 20 mm.

Un T-38 Talon con su morro redondeado.

Curiosamente, esta carena para ocultar el mecanismo de extensión y retracción de los slats produjo un efecto sorprendente. En las pruebas en vuelo, el piloto comprobó con satisfacción que el avión no entraba en pérdida a altos ángulos de ataque tal como sucedía con los T-38 y tal como los cálculos ingenieriles predecían. Por el contrario, el avión mantenía una sustentación considerable. Los ingenieros pronto se dieron cuenta de que las protuberancias carenadas del mecanismo de extensión/retracción de los slats generaban un vórtice que al pasar por encima del ala mantenía la capa límite pegada a esta. Acababan de descubrir los LEX que tiempo después serían aplicados a multitud de cazas, entre ellos al F-18.

El F-5E y el F Tiger II fueron desarrollos posteriores del Freedom Fighter. Además de ser un poco más grande que su predecesor, las extensiones de la raíz fueron rediseñadas y los diseñadores reemplazaron los tanques de combustible de las puntas de las alas con rieles de lanzamiento para el AIM-9 Sidewinder. Además, tanto el modelo E como el F conservan sus cañones frontales. Algunos Talons fueron modificados para el entrenamiento con armas y se convirtieron en los AT-38B. Esta variante tenía una mira y un pilón central para montar una góndola que alojaba un cañón, cohetes o bombas. Se distingue por la falta de puntos de anclaje adicionales, así como por la falta de extensiones de raíz del ala. Con el tiempo y gracias al desarrollo del motor General Electric F404 para el F/A-18 Hornet, Northrop creó el F-5 definitivo, el llamado F-5G/F-20 Tigershark. Desafortunadamente, este diseño no obtendría una amplia aceptación y sería el final de este linaje de diseños de cazas de la casa Northrop.

Los kits de maniobrabilidad mejorada posteriores

El éxito de los LEX fue tal que varias empresas se dedicaron a fabricar los kits de mejora de agilidad para el F-5. Gracias a estos elementos de maniobrabilidad mejorada, el F-5 rota con gran agilidad sobre su eje lateral. El W1 LEX original (designado por su número de componente de modelo de túnel de viento) se agregó al diseño del ala F-5A/B como un carenado sobre el actuador del flap del borde de ataque. Aunque el W1 LEX ocupaba menos del 2% del área del ala, proporcionaba un aumento del 10% en la capacidad máxima de sustentación del ala, lo que dio lugar a una mejor maniobrabilidad considerable. Cuando se desarrolló el avión F-5E, los ingenieros de Northrop aumentaron el tamaño del LEX a aproximadamente el 5% del área del ala. Este nuevo LEX fue designado W4 y proporcionó un aumento adicional del 25% en la sustentación máxima. Se entregaron aproximadamente 700 aviones F-5E y 100 F-5F con el W4 LEX instalado.

Cuando se desarrolló el F-5F de dos asientos, inicialmente utilizó el mismo W4 LEX que el F-5E de un solo asiento. Sin embargo, la experiencia inicial en servicio con el F-5F descubrió algunas características de estabilidad desfavorables en ángulos de ataque elevados. Para eliminar estos problemas, se realizaron algunos cambios en el diseño del avión. Se rediseñó la parte delantera y se desarrolló una nueva cúpula. El morro fue entonces cuando adquirió la denominación "nariz de tiburón" debido a su contorno distintivo que se asemejaba al de un tiburón. La lógica de control de los flaps del ala se cambió para agregar el ángulo de ataque (AOA) como parámetro de programación junto con la velocidad/Mach. El nuevo sistema de flaps recibió el nombre de “Auto Flaps”. Una parte del cambio de diseño dio lugar al nuevo LEX ligeramente más grande que fue designado W6 LEX como se ve en la figura de la izquierda. Estos tres cambios de diseño fueron certificados por la USAF como "Cualidades de manejo mejoradas - Paquete IHQ" y se incorporaron en la configuración de producción de todos los aviones F-5F construidos después de 1979. Por razones comunes de producción (no para resolver un problema de estabilidad), el paquete IHQ también se incorporó a la configuración de producción de todos los aviones F-5E después de 1979.

El LEX aumenta la maniobrabilidad instantánea, lo que da lugar a una mejora en la efectividad de la misión y la capacidad de supervivencia en combates aire-aire cuerpo a cuerpo. El W6 LEX también aumenta la estabilidad direccional lateral en la región del ángulo de ataque cercano a la pérdida/post pérdida, lo que da lugar a una mejor resistencia al giro.

¿Por qué es importante la rapidez de cabeceo en un caza?

Performance en cabeceo se entienden como la capacidad de maniobra en un caza para girar alrededor del eje paralelo a sus alas (es decir, el eje "lateral"). En vuelo nivelado, esto significaría mover el morro del avión hacia arriba o hacia abajo, pero la dirección hacia arriba es generalmente la más importante. Es lo que a veces se conoce como "encabritar" el avión. De la misma forma que performance en alabeo, la velocidad de cabeceo es una medida de la agilidad del caza.

Cuando se tira hacia atrás de los controles, la aeronave comienza a levantar el morro, lo que provoca un aumento en el "ángulo de ataque", como se define en la Figura 1. El ángulo de ataque (AOA) es el ángulo entre la "línea de cuerda" del ala (una línea imaginaria que conecta los bordes de ataque y salida del ala) y el "viento relativo", que es igual en velocidad y de dirección opuesta a, el movimiento del avión a través del aire. A medida que aumenta el AOA, generalmente también aumenta la sustentación producida por el ala y el factor de carga, lo que hace que la aeronave gire (es decir, cambie la dirección del vector de velocidad). Por lo tanto, el movimiento que se observa es parcialmente de giro y parcialmente un creciente AOA.

Figura 1

Es difícil separar visualmente estos dos movimientos, por lo que ambos generalmente se incluyen en la "tasa de cabeceo" o pitch rate. Una vez que el AOA se ha estabilizado, la velocidad de cabeceo y la velocidad de giro en un plano de maniobra determinado son las mismas.

La tasa de cabeceo es importante para los cazas por varias razones. Una de ellas es que cuanto más rápido se pueda aumentar el AOA, más rápido podrá comenzar un viraje. Esto puede tener un gran efecto en las primeras etapas de las maniobras de máximo rendimiento en virajes. Una segunda razón es la influencia de la velocidad de cabeceo en el seguimiento de la retícula de disparo. La capacidad de apuntar el avión en una dirección determinada, independientemente de su dirección de movimiento, es muy valiosa. Un tercer factor tiene que ver con la dificultad de diferenciar visualmente la velocidad de cabeceo de la velocidad de viraje. Dado que los pilotos de combate deben confiar en la información visual para evaluar el desempeño del avión oponente, grandes cambios en el AOA pueden fácilmente confundirse con un mayor desempeño en los virajes. Esta mala interpretación a menudo conduce a errores en la selección de maniobras para contrarrestar la maniobra percibida de un adversario.

El rendimiento de cabeceo de un caza, es decir, la velocidad de cabeceo y la aceleración de cabeceo, es función de la eficacia de los controles de cabeceo y de la resistencia que presenta el avión al movimiento de cabeceo. La contribución del AOA al cabeceo está limitada por el AOA máximo utilizable (AOA de pérdida o límites de controlabilidad) a bajas velocidades y por los límites del factor de carga por encima de la velocidad máxima en los virajes (corner speed). Dado que el rango de AOA utilizable es bastante pequeño (alrededor de 20° a 30°) para la mayoría de los cazas, la contribución del AOA al movimiento de cabeceo se completa rápidamente. Por lo tanto, como en el caso del rendimiento de alabeo, es la aceleración del cabeceo más que la velocidad del cabeceo lo que tiene mayor importancia en las maniobras del caza cuando la discusión se limita únicamente a los cambios de AOA.

Dado que la tasa de aumento de AOA es del mismo orden de magnitud que la tasa de viraje y es aditiva en la producción del rendimiento total del cabeceo, cuanto mayor sea el rango de AOA utilizable, mayor será su contribución durante las primeras fases de un giro. El mayor rendimiento de cabeceo se encuentra a menudo cerca de la velocidad máxima de viraje (corner speed), que proporciona la mayor velocidad de giro instantáneo y representa la velocidad más rápida posible (para una máxima autoridad de control de cabeceo) en la que está disponible todo el rango de AOA. 

Características de diseño como Las alas cortas o en flecha y los dispositivos de alta sustentación del borde de ataque pueden aumentar el AOA máximo utilizable al aumentar el AOA de pérdida, como se muestra en la Figura 2. La aceleración del cabeceo depende de la potencia de control y de la estabilidad del cabeceo y la inercia del avión. El momento de inercia alrededor del eje de cabeceo es función del peso del caza y su distribución hacia adelante y hacia atrás alrededor del CG. Aumentar el peso total de la aeronave o mover parte de este peso más lejos del CG, ya sea hacia adelante o hacia atrás, tiende a aumentar la inercia de cabeceo y reducir la aceleración de cabeceo. La posición del CG también influye. Las posiciones traseras del CG generalmente aumentan el rendimiento del cabeceo al reducir la estabilidad de la aeronave.

Figura 2