El Boeing YC-14 y la propulsión a chorro como método de incrementar la sustentación

Los sistemas de aumento de sustentación mediante soplado de chorro (blown lift systems) se desarrollaron principalmente para aeronaves STOL (Short Take-Off and Landing), con el objetivo de incrementar el coeficiente de sustentación máximo ($C_{L\max}$) y reducir la velocidad de pérdida y la distancia de pista requerida. 

A diferencia de los dispositivos hipersustentadores convencionales, estos sistemas utilizan energía del chorro de los motores para modificar activamente el campo de velocidades alrededor del ala y las flaps, incrementando la desviación del flujo hacia abajo y, por tanto, la sustentación total.

El Boeing YC-14 fue uno de los aviones de transporte militar más radicales jamás construidos, creado a principios de la década de 1970 como parte del programa Advanced Medium Transport (AMST) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Su misión era transportar tropas, vehículos y suministros a pistas cortas, ásperas o dañadas cerca del campo de batalla. Para ello, Boeing diseñó un avión que no se parecía en nada a un avión de carga tradicional, colocando sus motores en la parte superior del ala en lugar de debajo de ella. Este diseño inusual no era una cuestión de estilo, sino por explotar el efecto Coandă, donde el escape del chorro se dirigía sobre el ala y los flaps, lo que aumentaba drásticamente la sustentación y permitía que la aeronave despegara en distancias extremadamente cortas.

Lo que hizo que el YC-14 fuera realmente revolucionario fue cómo combinaba la velocidad de la propulsión a chorro del motor a reacción con el rendimiento STOL normalmente asociado con los aviones turbohélice. Con sus potentes motores soplando directamente sobre grandes flaps de doble ranura, el YC-14 podría levantar cargas pesadas del suelo en pistas de despegue notablemente cortas y aterrizar de la misma manera y lentamente. Fue diseñado para operar desde pistas de aterrizaje poco preparadas, tramos de carretera o tierra compactada, lo que lo hace ideal para el reabastecimiento de primera línea durante la guerra. Esto significaba reabasteciminto de tropas y materiales más rápidos, una menor dependencia de grandes bases aéreas y una mayor capacidad de supervivencia en entornos hostiles.

Esquema de Markus Kutscher, Frankfurt, Germany (Markutsch)

Aunque el YC-14 finalmente perdió el cocurso AMST ante el McDonnell Douglas YC-15, su legado no terminó ahí. Los conceptos aerodinámicos probados en el YC-14 influyeron en los diseños posteriores de aviones, especialmente en sistemas de gran sustentación y tecnología de sustentación por medio de planta motríz. Tanto el YC-14 como el YC-15 se convirtieron en pasos intermedios que dieron lugar al desarrollo del C-17 Globemaster III, uno de los aviones de transporte militar más exitosos jamás construidos. El YC-14 sigue siendo un poderoso recordatorio de cómo la ingeniería brillante y el pensamiento experimental pueden dar forma al futuro de la aviación, incluso si el avión en sí nunca entra en producción final.

El USB, el EBF y el IBF

Existieron diversos proyectos, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, para incrementar la sustentación a base de utilizar los motores. En la ilustración se pueden ver los tres más conocidos, el IBF, el EBF (utilizado en el YC-15), el USB (utilizado en el YC-14).

El secreto del despegue en corto del YC-14

Se llama "Upper Surface Blowing" (conocido como USB o soplado del extradós del ala). setrata de una tecnología de sustentación propulsada que dirige el escape de los motores (generalmente turbofanes) sobre la superficie superior del ala y los flaps para generar una sustentación adicional significativa, utilizando el efecto Coanda para que el chorro se adhiera a la curva del ala y los flaps, creando una "supercirculación" que permite despegues y aterrizajes cortos (STOL) con altos coeficientes de sustentación. El principio de funcionamiento del USB es el posicionamiento del motor obre el ala, con sus escapes apuntando hacia atrás y ligeramente hacia arriba.

• Efecto Coanda: El aire caliente y rápido del motor sopla sobre la superficie superior del ala y los flaps.
• Supercirculación: El efecto Coanda hace que el chorro de escape se "pegue" a la superficie curva, siguiendo el contorno del flap deflectado, lo que aumenta la velocidad del aire sobre el ala y crea una presión más baja, generando mucha más sustentación de la que el ala produciría normalmente.
• Control del borde de ataque: También se puede usar soplado en el borde de ataque para controlar el flujo y aumentar aún más la sustentación.
• Ventajas:Sustentación potente: Genera altos niveles de sustentación para operaciones STOL.
• Eficiencia: Combina el empuje deflector y la supercirculación para una sustentación muy eficiente.
• Control de capa límite: Ayuda a controlar la capa límite de la superficie superior del ala.
• Reducción de ruido (parcial): El ala puede proteger los motores de la vista desde abajo, reduciendo algo de ruido.
• Desventajas:Complejidad y mantenimiento: Añade complejidad al diseño de los motores (nacelles) y sistemas de válvulas.
• Fallo del motor: Un fallo del motor reduce la sustentación en un momento crítico (aterrizaje/despegue).
• Aerodinámica de crucero: Requiere diseños de nacelle especiales para minimizar interferencias a alta velocidad.

En esta espectacular fotografía de Boeing se aprecian los escapes de los motores sobre las alas. Esto requiere un mayor recubrimiento térmico en el ala, lo cual representa mayor peso. Nótese también la presencia de generadores de vórtices para canalizar el flujo sobre los enormes flaps.

Otro avión además del YC-14 que utilizó este método fue el ASKA (Japón). Un avión experimental que también utilizó USB. La contrapartida soviética fueron los An-72 y An-74. La NASA utilizó un concepto híbrido para la investigación. Este avión era un 707 367-80 muy modificado en el que se puede ver el sistema de sangrado de los motores en esta imagen de la NASA:

A este Boeing 707 se le hicieron multitud de modificaciones con diferentes perfiles alares y otras "travesuras" ingenieriles. La NASA también desarrolló "inventos" del tipo USB en un avión muy parecido en concepto al YC-14- Se trata del QSRA (Quiet Short-Haul Research Aircraft), un de Havilland Canada DHC-8 Buffalo. 

A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, la NASA utilizó este Buffalo en el programa de Aviones de Investigación de Corto Alcance Silencioso. Boeing diseñó e instaló un ala supercrítica en flecha experimental que incorporaba un sistema de control de capa límite. 

En lugar de los motores estándar, esta aeronave estaba propulsada por cuatro prototipos de motores turbofán de alta derivación Avco Lycoming YF102 (originalmente del programa Northrop YA-9), montados sobre el ala para aprovechar el efecto Coandă. En 1980, esta aeronave participó en pruebas en portaaviones a bordo del USS Kitty Hawk, demostrando su rendimiento STOL sin el uso de catapultas ni dispositivos de detención. La aeronave se encuentra actualmente almacenada en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Mountain View, California.

Otros inventos notables: el soplado de flaps del F-104 Strafighter

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. 

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