Despegue vertical y vectorización del empuje.

Al finalizar la II Guerra Mundial (SGM) se aprendieron muchas lecciones en el mundo de la aeronáutica. Una de ellas fue que el progresivo desarrollo de los misiles de largo alcance tierra-tierra y aire-tierra podían destruir las pistas de los aeródromos, dejando sin utilidad alguna los aviones allí desplegados. No es de extrañar, por tanto, que fuera Alemania la pionera en la idea de desarrollar un tipo de avión que pudiera despegar y aterrizar verticalmente, tras los numerosos destrozos provocados por las fuerzas aliadas.

La idea se propagó rápidamente por el mundo civilizado y países como Reino Unido, Francia o Estados Unidos se unieron a la carrera por poner a punto este tipo de aeronaves con el patrocinio de los militares, entusiasmados por la idea. El Reino Unido iba a jugar un papel determinante en el desarrollo de esta nueva tecnología, porque ya tenía importantes precedentes. En 1941, el visionario científico jefe de Rolls-Royce, el Dr. Griffith, aconsejó la puesta a punto de motores para despegue vertical. Pero hubo que esperar hasta 1947 para que ese fabricante consiguiera la tecnología suficiente en los recién nacidos propulsores a reacción. A pesar de todo, el problema técnico a resolver no era sencillo.

Era necesario desarrollar un motor que proporcionara suficiente empuje vertical como para elevar el avión y, por otro lado, había que encontrar una solución técnica a la transición entre el vuelo sustentado por el propulsor y el convencional por las alas. La solución a estos problemas disparó la imaginación de los ingenieros de forma espectacular. Fue tal la creatividad que un estudio realizado por McDonnell a finales de los cincuenta contabilizó hasta 74 diseños diferentes, categorizados en función del tipo de propulsión y del sistema de transición de vuelo vertical a convencional. Obviamente, no todos los proyectos resultaron ser satisfactorios o económicamente viables.

Entre los factibles cabe destacar, por su posterior trascendencia, el que, en agosto de 1954, Rolls-Royce llevó a cabo, bajo la supervisión de Griffith, con la denominada cama volante o Flying Bedstead en sus instalaciones de Hucknall. El aparato contaba con dos motores Nene contrapuestos con toberas verticales dirigidas hacia el suelo. El chorro de uno estaba montado justo en el centro del artilugio, mientras que el del otro se dividió en dos, colocándose a ambos lados del primero. Como este dispositivo era especialmente inestable, fue necesario instalar también pequeñas toberas que permitieran el control, tanto en cabeceo y picado (delantera y traseras) como en alabeo (laterales). Aunque sólo permitía vuelos verticales, sin posibilidad de desplazamiento horizontal, su contribución al sistema de control del Harrier fue extraordinario.

foto: Ryan Vertijet X-13

Un año después, Estados Unidos demostró que no se quedaba atrás en la carrera tecnológica. Consiguió que el primer avión de despegue vertical con propulsión a chorro se elevara con éxito por encima del suelo. Se trataba del Ryan Vertijet X-13 con motores Rolls-Royce Avon, que demostró que se iba por buen camino, tanto en el desarrollo del sistema de control como en el sistema motopropulsor. Rápida­mente las versiones se fueron sucediendo, consiguiéndose cada vez mayor empuje y relaciones potencia/peso necesarias para aumentar las prestaciones del vuelo vertical. Consiguió merecida fama y fue empleado posteriormente en el Comet, el primer avión comercial a reacción del mundo, en 1958.

A pesar de tantos y tantos diseños y posibles soluciones técnicas al problema del despegue vertical, existían dos corrientes de pensamiento claramente diferenciadas. Por una parte, encabezada por Griffith, se abogaba por el desarrollo de aviones con un sistema mixto. La propulsión convencional se realizaría por medio de motores a reacción, mientras que el vuelo vertical se llevaría a cabo con pequeños boosters, colocados en las alas. Como prueba de este empeño surgió el Rolls-Royce RB108, que fue el primero diseñado específicamente para aplicaciones de despegue y aterrizaje vertical, o VTOL (Vertical Take-off and Landing). Cuatro fueron instalados en el avión experimental SC-1 para proporcionar el empuje necesario para elevarlo, aunque el mayor éxito se consiguió al instalarse en el Marcel Dassault Balzac, basado en el Mirage. Éste último llegó a realizar en Francia despegues verticales con ocho RB108, con vuelos convencionales de hasta Mach 2,04, gracias a su motor Snecma Atar, con el posterior aterrizaje vertical.

El vuelo supersónico exigía fuselajes de pequeño diámetro, lo que forzó a que los motores verticales de sustentación fueran cada vez más y más cortos en longitud. El programa francés lideraba por aquel entonces la tecnología despegue corto y aterrizaje vertical, o STOVL (Short Take-off and Vertical Landing). Desgra­ciadamente, la pérdida del único prototipo y los problemas que empezaba a ofrecer la configuración mixta de motores desaconsejaron continuar en esta línea de investigación y el Gobierno francés decidió finalmente que el programa se cancelara.

foto: VJ101C dotado de 6 motores RB145: 4 en las puntas de las alas y 2 en el fuselaje.

Nuevos desarrollos

Paralelamente, en Alemania se trabajaba en un prototipo que cumpliera los requisitos operativos que la OTAN había dictado por aquel entonces para las aeronaves VTOL. Un consorcio formado por Dornier y Messerschmitt creó el VJ 101C, que llegó a alcanzar Mach 2 a partir de motores dotados de postcombustión y que podían girar sobre los extremos de la alas donde estaban situados. El modelo que más destacó fue el Dornier Do-31, que, con dos propulsores de Rolls-Royce y 8 RB162, una versión mejorada del RB108, fue el único en alcanzar cierta madurez técnica. Desgra­cia­da­mente el Gobierno germano canceló todos los proyectos por falta de recursos económicos para desarrollar en solitario un aparato de estas características.

Esto dejó como vencedora a la otra corriente de pensamiento, impulsada por el también británico Sir Stanley Hooker, que respaldaba que lo más sencillo era emplear el mismo motor, tanto para el despegue vertical como para el vuelo de crucero. La idea surgió cuando el ingeniero francés Michel Wibault se aproximó al motorista inglés Bristol Siddeley en 1956, con un curioso diseño de turboeje y caja de engranajes que proporcionaba potencia a cuatro compresores centrífugos situados, dos a dos, a cada lado del avión. El diseño tenía dos conceptos muy interesantes. Por una parte, el deflectar el empuje sobre el rango de angulos desde 0o (vuelo convencional) hasta 90o (vertical) permitía emplear un único propulsor. Por otra, con el sistema de cuatro toberas se conseguía siempre que el vector de empuje en vuelo vertical pasara por el centro de gravedad del avión, lo que permitía un mejor control del mismo.

La idea inicial fue rápidamente simplificada por los ingenieros de Bristol Siddeley y surgió así sobre el papel la primera versión del Pegasus, que encontró dificultades económicas desde el mismo momento de su concepción. La idea de crear un avión militar al poco de haber finalizado la SGM era un tema tabú y no muy bien visto por el Gobierno británico de los años cincuenta. Afortunadamente, se logró que un programa americano para el desarrollo conjunto de armas financiara el 75 por ciento del proyecto. El resto lo proporcionó el dueño de Bristol Siddeley, Sir Reginald Verdon Smith, que empezaba a acostumbrarse por aquel entonces a jugar su fortuna personal cada vez que el Ministerio de Defensa británico bloqueaba sus proyectos. La economía hizo, pues, que el primer Pegasus fuera un pequeño Frankestein de otros motores. Los dos escalones del fan (ventilador), por ejemplo, eran los mismos del Olympus (el del Concorde) y el compresor era el del Rolls-Royce Orpheus.

El BS100, como se denominó inicialmente al Pegasus, se ensayó en 1959, proporcionando un empuje de 9.000 lbf. Se componía básicamente de cuatro toberas, dos para el chorro caliente y dos para el frío del fan, que podían girar entre 0 y 98,5o. De esta forma proporcionaban empuje para el vuelo convencional (0o), el despegue vertical (90o) y la reversa (98o), con el fin de frenar el avión en el caso que fuera necesario. Con la financiación americana, se pudo instalar en los dos prototipos del P1127, desarrollados por Hawker, y comenzar la campaña de vuelos. Fue evaluado por pilotos de la RAF, USAF, US Navy, US Army y la Luftwaffe, aunque los alemanes se retirarían posteriormente por considerar el proyecto demasiado costoso. Pronto se comprobó que el empuje proporcionado era escaso, por lo que fue necesario diseñar por completo un nuevo fan y un compresor para aumentarlo. La encargada de la actualización fue esta vez Rolls-Royce, que por aquellas fechas acababa de adquirir Bristol-Siddeley, creadora del proyecto. En septiembre de 1960 se ensayó la nueva variante, la Pegasus 2, que aumentó el empuje hasta las 11.000 lbf.

foto: Banco de pruebas del avión VAK191B.

Un año más tarde, el Gobierno británico proporcionó asistencia financiera bajo la condición que se entendiera que era un proyecto puramente experimental y que no se pretendía construir ningún avión militar nuevo. Este respiro económico ayudó a desarrollar otro fan de tres etapas, fabricado en titanio, con los álabes funcionando parcialmente en condiciones supersónicas. Además, se eliminaron los álabes guía situados a la entrada. El compresor también fue cambiado cuando se decidió que el aire que debía circular por las toberas de control situadas en las puntas de las alas, en el morro y la cola del avión debía provenir de éste. La forma de lograr la vectorización también se simplificó con el uso de una sola palanca situada en la cabina de pilotaje (cockpit) junto a la de gases.

Se dotó a la turbina de alta presión de refrigeración, pudiendo aumentar de esta manera las temperaturas. Todos estos cambios conseguieron que el motor alcanzase la madurez del diseño con más de 19.000 lbf de empuje, a la vez que se extendía la vida del motor. Bajo la denominación Pegasus 6 MK101, pasó a la fase de producción instalado en el Harrier GR1 en 1967, entrando en servicio con la RAF en abril de 1969.

Aunque, en 1968, Rolls-Royce siguió mejorándolo y consiguió alcanzar 20.500 lbf de empuje con el Pegasus 10 MK102, era un motor interino de la compañía, pero que sirvió de base para que el Pegasus 11 MK103 proporcionara 21.500 lbf un año después. Fue instalado en los Harrier GR3 y T4 y es empleado en la actualidad por la Royal Navy británica, la US Navy (bajo la denominación F402-RR-402) y la Armada española en las versiones AV-8A, TAV-8A y AV-8C. Debido al éxito de las dos primeras variantes, se diseñó el Pegasus MK104 para resistir la corrosión del agua marina y que acabó siendo la planta motriz del Sea Harrier. El motor tenía además otras modificaciones, pero destacaba especialmente el aumento de la caja de engranajes, para poder conseguir una mayor potencia hidráulica y eléctrica.

foto: VFW-Fokker VAK191B dotado de 2 motores verticales RB162 y un “lift-fan” RB193.

El JSF y el futuro

Con la entrada en funcionamiento del Harrier se comprobaron otros beneficios de la vectorización del empuje. Los pilotos pronto se dieron cuenta del incremento de la maniobrabilidad del avión, sobretodo en condiciones de combate cercano y con velocidades cercanas a la de pérdida. Permitía controlar el vuelo en esta situación y realizar maniobras de apunte rápido con el morro, seguido de disparo, al igual que se hacía con un helicóptero. También consentía realizar la maniobra de Herbst o el giro J, una maniobra de 180º con mínimo radio y máximo régimen de giro.

Sin embargo, la solución técnica proporcionada por el Pegasus para la vectorización, aunque muy acertada para su época, trajo numerosos problemas. El primero puede que sea el de transición, con el movimiento de las toberas de posición vertical a horizontal, aunque tampoco conviene olvidar que el uso de la vectorización, no sólo para elevar el avión sino para controlarlo, entraña también cierta complejidad técnica. Asimismo, con la solución geométrica que se le dio al Harrier no era posible controlar las fuerzas que actúan sobre el avión de forma transversal. Todo ello condujo al desarrollo de toberas vectoriales que, dejando a un lado la complejidad técnica del despegue vertical, se concentran más en reducir la carrera de despegue. Surgen de esta manera los aviones VSTOL (Very Short Take Off and Landing) como el Sukhoi Su-37. De hecho, tanto la norteamericana NASA como la alemana DASA llevaban años colaborando en el programa Vektor, con el fin de desarrollar las leyes de control de este tipo de toberas.

foto: El motor Pratt & Whitney F-119 posee vectorización del empuje en el plano vertical.

La última tendencia en este sentido la marca el programa del JSF (Joint Strike Fighter), que se remonta, como todos los proyectos militares, a varias décadas atrás, con los primeros indicios en el llamado ASTOVL (Advanced Short Take-Off/Vertical Landing), que comenzó su andadura en 1983. Este programa, que pronto encontró el apoyo del Reino Unido, buscaba desarrollar un avión con capacidad para despegues cortos, pero fracasó en 1987 al concluir que el estado de la tecnología no podría lograr los objetivos buscados. Finalmente, lo que hoy conocemos como F-35 provino de un programa denominado Joint Advanced Strike Techno­logy (JAST), que buscaba más el desarrollo de tecnología y el abaratamiento de costes que un nuevo avión de caza. Como tenía muchas similitudes con el ASTOVL, se decidió fusionarlos en un único programa en 1995.

El resultado del JSF ha sido la aparición de tres versiones de avión: F-35A, F-35B y F-35C. La primera tendrá capacidad de aterrizaje y despegue convencional, aunque con carrera reducida gracias al uso de la vectorización. En la F-35B, desarrollada para el US Marine Corps y la Royal Navy, se incorpora un fan sustentador delantero, que permitirá realizar despegues cortos e incluso verticales y sustituirá en el futuro a los F/A-18B/C y AV-8B. Finalmente, el F-35C remplazará a los Sea Harrier de la Royal Navy y a los F/A-18 B/C y A-6 de la US Navy, mientras que servirá de complemento a los F/A-18E/F. De todas estas versiones, como podemos ver, únicamente el F-35B tiene cierta capacidad de despegue vertical, mientras que el principal requisito de diseño se basa en la vectorización del empuje para reducir las distancias a recorrer en la carrera de despegue y, a la vez, simplificar de forma apreciable tanto el sistema de control como la geometría de las toberas a emplear.

La empresa española ITP también lleva años desarrollando un novedoso sistema de vectorización de toberas que permite direccionar el chorro del motor, no sólo en sentido vertical, como en los motores del JSF, sino, también, lateralmente, lo que aumentará significativamente la capacidad de maniobra en vuelo. Desgraciadamente, aunque la tecnología ya está disponible y se ha llegado a ensayar en banco, todavía no se ha incluido en ningún Eurofighter, aunque el interés parece ir en aumento, especialmente para las versiones de exportación. Será cuestión de esperar para ver finalmente tecnología punta española en los cazas más avanzados.

Revista Defensa nº 369, enero 2009, Alberto García Pérez