Protección de convoyes en la IIGM: Dirigibles contra submarinos

Los dirigibles no rígidos fueron un componente importante de la aviación naval de los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial y hasta la década de 1950. La mayor “clase” de dirigibles de patrulla marítima, hasta la Segunda Guerra Mundial, era la serie K.

El K-1 fue un dirigible experimental construido por la Fábrica de Aeronaves Navales en Filadelfia en 1931. Entre las características que introdujo estaba una “góndola” o “carro” unido directamente al envoltorio. El K-1 tenía dos motores, y su «globo» tenía una capacidad de 319,900 pies cúbicos (9058,6 metros cúbicos) y una velocidad máxima de 65 millas por hora (105km/h). Ese primer dirigible sirvió como prototipo o como dirigible de pre-serie y realizó labores de ensayos en vuelo y de entrenamiento hasta que fue dado de baja en 1941.

Para entonces, la producción estaba en marcha en Goodyear en Akron, Ohio, para la serie K-2, más grande, rápida y capaz. Realizó su primer vuelo el 6 de diciembre de 1938. (La Armada asumió todas las operaciones de más ligeros que el aire en 1937, poniendo fin a los esfuerzos separados del Ejército y la Armada; la disposición del Los Ángeles [ZR-3] en 1939 marcó el fin del programa de dirigibles rígidos de la Armada).

Se produjeron un total de 134 dirigibles de la serie K por parte de Goodyear. A finales de 1942, la compañía construía cinco dirigibles de la serie K al año, y alcanzó una producción máxima de 11 por mes a mediados de 1943. Había varias subseries, que diferían principalmente en el tamaño del globo y los motores.

Durante la Segunda Guerra Mundial, los dirigibles estaban equipados con una ametralladora calibre .50 en la parte frontal de la góndola y podían llevar cuatro cargas de profundidad Mk-47 de 325 libras.

Cargando las cargas de profundidad

Algunos dirigibles de la serie K estaban equipados con el radar ASG, que mostraba ecos de retorno en un indicador de posición similar a un mapa; tenía un alcance de unas 90 millas para objetos superficiales pequeños. También se instaló un detector de anomalías magnéticas (MAD) que podía detectar la presencia de un submarino en aguas relativamente poco profundas. La limitación de profundidad del MAD requería que el dirigible volara bastante bajo, y, por supuesto, el sistema identificaría los pecios metálicos de naufragios en aguas poco profundas

Durante la guerra, los dirigibles de la US Navy, principalmente los de la serie K, realizaron 37000 patrullas, la mayoría frente a las costas atlánticas de América del Norte y del Sur, sobre el Caribe y, más tarde en la guerra, sobre el Estrecho de Gibraltar y el Mediterráneo occidental.

Los primeros dirigibles no rígidos de cualquier nación en cruzar el Atlántico fueron seis dirigibles de la serie K que volaron desde South Weymouth, Massachusetts, a través de Terranova y las Azores hasta Port Lyautey (ahora Kenitra) en Marruecos francés durante junio de 1944. El tiempo de vuelo para cada una de las tres etapas fue de aproximadamente 20 horas. Más dirigibles los siguieron a través del Atlántico.

Estos dirigibles buscaron submarinos en las del estrecho utilizando y más tarde se emplearon para localizar minas en puertos del Mediterráneo.

La secuencia de producción de los dirigibles de la serie K no fue sencilla, con sus números fuera de secuencia con las subseries. Y, como se mencionó anteriormente, el tamaño del «globo» y los motores variaban según la subserie. Después de la guerra, algunos dirigibles de la serie K fueron reconstruidos extensamente, aún más grandes.

Durante la guerra, los dirigibles de la serie K fueron designados como ZNP-K, donde la “Z” indicaba más ligero que el aire, la “N” no rígido y la “P” patrulla. Los dirigibles individuales se identificaban (generalmente) mediante números secuenciales, como ZNP-K-2, etc. Invariablemente, se les identificaba simplemente por sus designaciones de la serie K. Los dirigibles reconstruidos después de la guerra llevaron las designaciones de serie ZP4K y ZP5K, que posteriormente se cambiaron a ZSG-4 y ZS2G-1, respectivamente.

Pero sí hay un enfrentamiento entre un dirigible y un U-boat.

K-74 Vs U-134

Ese “hundimiento” de un U-boat ocurrió en la noche del 18 al 19 de julio de 1943, cuando los dirigibles K-32 y K-74 patrullaban sobre los Estrechos de Florida. El destructor USS Dahlgren (DD-187) también estaba en la zona. Los dos dirigibles detectaron al U-134 alemán con su radar, y el K-74 atacó. El U-boat permaneció en la superficie y luchó contra el dirigible.

La tripulación del K-74, al detectar que el U-134 salía a la superficie para recargar sus baterías -un momento necesario pero vulnerable para cualquier submarino- se enfrentó a una decisión crítica. El protocolo estándar para las aeronaves implicaba el reconocimiento y la presentación de informes, permitiendo a las fuerzas navales de superficie emprender acciones directas.

Ametrallador de morro

Sin embargo, el U-134 se dirigía directamente a los buques de suministro aliados. Esto llevó al capitán del K-74 a ignorar el protocolo y atacar al U-Boot. El U-134 era un Tipo VIIC.

Armado con cargas de profundidad, la principal arma antisubmarina de la época, el K-74 inició su aproximación hacia el U-134. Las cargas de profundidad, diseñadas para detonar a profundidades predeterminadas, eran una herramienta eficaz contra los submarinos sumergidos, pero su despliegue desde una aeronave, especialmente en un escenario de asalto directo a un submarino emergido, distaba mucho de ser convencional.

La respuesta del U-134 fue rápida y defensiva, haciéndole frente con su cañón antiaéreo de 20 mm. El K-74 respondió con una ametralladora del calibre 50. Había comenzado un amargo duelo mientras la aeronave se acercaba a su objetivo.

Existe cierta confusión sobre si las cargas de profundidad del K-74 fallaron durante el ataque, pero los daños bajo la línea de flotación del submarino indicarían que al menos una carga de profundidad explotó en las proximidades. La tripulación del K-74 atacó al submarino con la ametralladora calibre .50 montada en el morro de la góndola, así como con sus armas personales, incluidas una Thompson SMG y pistolas M1911.

Submarino siendo ametrallado

El fuego de respuesta de los cañones antiaéreos de 20 mm del U-Boot averió uno de los motores del K-74, perforó la bolsa de gas en varios lugares e hirió a un tripulante. A cambio, el fuego del K-74 dañó el submarino, los impactos de las grandes balas de calibre .50 dañaron el casco del submarino, haciéndolo incapaz de sumergirse. El U-134 abandonó la zona y regresó renqueando a su base en Francia. Nunca llegó a casa. El U-134 fue hundido con todos sus tripulantes a bordo el 27 de agosto de 1943, en el Golfo de Vizcaya, por la fragata británica HMS Rother.

El fuego defensivo del submarino resultó efectivo. El K-74 se estrelló en el mar, pero su tripulación sobrevivió al enfrentamiento inicial, pero quedó flotando en el Golfo de México. Permanecieron en el agua hasta el día siguiente, cuando fueron encontrados por un submarino estadounidense.

Lamentablemente, un miembro de la tripulación, Isadore Stessel, perdió la vida por el ataque de un tiburón momentos antes de que pudiera efectuarse el rescate, lo que supuso la única baja de la tripulación de un dirigible de la Marina estadounidense en la Segunda Guerra Mundial.

¿Fueron decisivos los dirigibles en la protección de convoyes?

Los entusiastas de los dirigibles señalan que no se perdió ningún barco en los convoyes escoltados por dirigibles debido a ataques de U-boats. Esto es correcto, pero no es una prueba concluyente, pues cada uno de esos convoyes estaba escoltado también por buques de superficie, y algunos también tenían portaaviones de escolta o “jeep” con aviones que buscaban U-boats. Es difícil demostrar que fuera sólo por la presencia de dirigibles.

Incluso puede que atrayeran la atención de los submarinos. Al final un dirigible de este tamaño es muy visible a larga distancia, y si un submarino avistaba un dirigible, sabría con toda seguridad el rumbo en el que encontraría el convoy.

Fuentes: US Naval Institute y -1-, -2- -3- -4- -5- -6-

¿Por qué las alas de los aviones eléctricos son tan largas y estrechas?

Seguro que habéis comprobado que siempre que hablamos de aviones eléctricos son aviones con alas muy esbeltas, esto es, de gran alargamiento, casi más próximas en diseño a las de un velero o un motovelero que a las de un avión de aerolínea o un avión ligero.

Para ello vamos a empezar por presentar la ecuación del alcance de Bréguet.

La ecuación se puede derivar de forma sencilla teniendo en cuenta que el avión vuela la mayor parte del tiempo en crucero, que se puede asimilar a un movimiento rectilíneo y uniforme, y por tanto la sustentación es igual al peso (L=W), la resistencia igual al empuje (D=T), que sustentación y resistencia se relacionan a través de la polar y que la potencia necesaria para volar en crucero es P=T·v·nu, siendo v la velocidad de vuelo y nu el rendimiento del grupo motopropulsor (el rendimiento del motor multiplicado por el de la hélice, por ejemplo).

Si alguien está interesado en el desarrollo matemático de la ecuación, puede encontrarlo en muchas fuentes, como la que hemos enlazado atrás, esta o esta otra.

Básicamente nos dice que el alcance (R de Range) depende del rendimiento motopropulsor, el consumo de combustible específico (SFC), la fineza aerodinámica y la relación entre la masa inicial y la final (y por tanto el combustible que puede consumir).

Esta sencilla ecuación permite comparaciones rápidas entre distintos diseños con parámetros sencillos y que pueden obtenerse fácilmente de los fabricantes, o al menos pueden estimarse con relativa facilidad. Asi que se pueden comparar diseños de forma teórica antes siquiera de haber empezado un desarrollo de detalle.

Se puede realizar un ejercicio similar para derivar esta ecuación para aviones híbridos, o para aviones eléctricos. Nosotros nos centraremos en la ecuación derivada para aviones eléctricos.

Donde Cb es la densidad energética de las baterías (en unidades de energía/masa kW·h/kg, por ejemplo), g es la aceleración de la gravedad, CL/CD es su fineza aerodinámica (la relación entre el coeficiente de sustentación y el de resistencia), Wbatt es el peso de las baterías, WTO es el peso al despegue, y ηi,ηm,ηp son los rendimientos del inversor, del motor y de la hélice.

Una versión aún más simplificada fue la que dio Archer en su web:

R=Ebatt· η·(CL/CD)/MTOW

ó

R=Cb·Wbatt· η· L/D / (MTOM · g)

Donde Ebatt es la energía en la batería y η el rendimiento motopropulsor.

Lo que nos quiere decir que el alcance del avión está definido básicamente por su aerodinámica, la densidad energética de sus baterías y la masa de baterías. En el avión eléctrico no entra en juego el peso final y el inicial, puesto que al no consumir combustible la masa al despegue y al aterrizaje serán la misma (lo que, por cierto, hará que el tren de aterrizaje sea más pesado que en un avión convencional, que no soporta el mismo peso en el aterrizaje que en el despegue).

Sobre el rendimiento motopropulsor apenas tendremos capacidad de decisión, puesto que el rendimiento del motor eléctrico rondará el 90% mientras que el de las hélices está entorno al 85%, así que este rendimiento motopropulsor se puede considerar como constante e igual a un 76.5%.

Nos quedan pues dos parámetros, el de la densidad energética de las baterías, que también se puede considerar constante y dependiente del estado del arte del momento, y la fineza aerodinámica.

Es decir, que si queremos optimizar nuestro diseño, realmente tan sólo podemos actuar sobre un parámetro que dependa de nosotros y no de los proveedores: la fineza aerodinámica.

Para maximizar esa fineza aerodinámica, no queda otra que recurrir a alas de gran alargamiento, tipo motovelero y planeador. Y es por esto que todos los aviones eléctricos cuentan en sus diseños con alas de gran alargamiento, puesto que es un parámetro con el que sí pueden «jugar» los diseñadores con facilidad, siempre teniendo en cuenta que el alargamiento del ala viene limitado por el ancho de la pista, de los aparcamientos, de los hangares… que limitan la envergadura, u obligan a soluciones ingeniosas como alas plegables. ¡Ah! Y si alguno os lo preguntabais, sí, estas ecuaciones de atrás son las que explican de forma sencillael desarrollo del nuevo Boeing con ala arriostrada.

Por finalizar, las densidades energéticas reales hoy en día rondan los 400W·h/kg, aunque se espera alcanzar los 600, e incluso se han llegado a alcanzar cotas superiores, pero siempre en condiciones de laboratorio, no de mundo real.

Y como la densidad se puede considerar también constante, esto nos lleva a una interesante conclusión (que no vamos a desarrollar mucho más porque ya lo hicieron Calin Gologan y Raphael Giesecke): Con la mejor tecnología de baterías que se espera tener, el alcance de los aviones eléctricos estará limitado a unos 500km, 800km en los casos más optimistas. Ésto sin consideraciones de cálculo de desvíos a aeropuertos alternativos. Lo que explica el por qué desde el comienzo los grandes constructores nunca han apostado por los aviones eléctricos, y en este blog siempre hemos defendido que, en el mejor de los casos, quedarán limitados a vuelos recreativos, de entrenamiento o —a lo sumo— operaciones comerciales tipo aerotaxi-vuelo regional-conmuter-evacuaciones médicas entre pequeños aeródromos municipales o entre éstos y algún gran hub central. Y por qué se juzga poco realista cualquier propuesta de diseño que vaya más allá de estos límites.

Por qué los motores de los aviones son tan grandes, y los eVTOL tan ineficientes

Parecen dos temas totalmente independientes, pero en el fondo están íntimamente relacionados, y todos se pueden explicar con la misma simplificación matemática de cómo funciona un grupo moto-propulsor de una aeronave.

Una de las teorías más sencillas de cómo se produce el empuje en un avión, sea de motor de pistón más hélice, sea un motor a reacción, sea un turbofan, es la teoría de la cantidad de movimiento.

En esta teoría, se reemplaza todo el grupo  motopropulsor por un «disco» que tiene el área de la hélice, o del fan, y que proporciona al aire «aguas arriba» un salto de velocidad y un incremento de presión, lo que genera un empuje.

De esta manera nos permite expresar el empuje obtenido y el rendimiento del grupo motopropulsor de formas muy sencillas.

La teoría tomta tantas hipótesis tan imposibles de cumplir en la realidad, que hace que sea una teoría poco representativa de la realidad. Sin emabargo es MUY simple, y nos da una cota superior del rendimiento del grupo motopropulsor. Esta cota superior del rendimiento sería el rendimiento teórico máximo. Por eso nos permite comparar de forma sencilla y rápida distintas configuraciones, y sabemos que si una configuración es mala con esta teoría —que es en exceso benévola—, en la realidad la configuración será malísima.

No vamos a entrar a desarrollarla, puesto que hay muchos apuntes en internet que la explican, incluso en la Wikipedia, y  nos vamos a quedar sólo con las ecuaciones que nos interesan, la de la tracción generada por el grupo motopropulsor (T), y la del rendimiento (potencia util/potencia generada).

T=2·ro·S·(V+vi)·vi

Siendo T la tracción, ro la densidad del aire, S la superficie del disco, V la velocidad de la corriente libre y vi la velocidad que se induce al aire en el disco.

De la primera deducimos que:

  • Cuanta más densidad de aire, mejor (y por tanto tendremos problemas los días de mucho calor o a gran altitud no solo porque el término de la densidad del aire aparece en la expresión de la sustentación, sino porque también aparece en el de la tracción).
  • Cuanto más grande sea el disco de la hélice (o del fan), más tracción tenemos. Pero esto nos limitará la velocidad en aviones de hélice muy rápidos, al alcanzar antes la velocidad supersónica en punta de pala que en una hélice de menor radio.
  • Cuanto mayor es el salto de velocidades antes del disco y después del disco, más tracción tenemos también.

R=1/(1+(vi/V))

Y ahora vamos a por la ecuación del rendimiento. Lo que nos dice es que cuanto mayor sea el salto de velocidades entre la corriente libre (o aguas arriba) y la velocidad que se imprime al aire en el disco, menor será el rendimiento.

Así que para conseguir mucho empuje con un gran rendimiento, hay que mover mucha cantidad de aire (disco con superficie muy grande), dándole un salto de velocidad lo más pequeño posible.

Así pues…

  • Los aviones de hélice que vuelan relativamente lentos tendrán palas de hélices largas (pero cuanto más rapido tenga que volar el avión, más habrá que recortar la pala)
  • Los aviones de turbofan procuran dar un salto pequeño de velocidad a mucha cantidad de aire, con motores de muy alto índice de derivación
  • En tamaño radio control, un helicóptero será más eficiente que un multicóptero, que suelen tener muchas hélices pero pequeñas y su área total rara vez alcanza la del helicóptero de misma masa.
  • Todos los eVTOL que han optado por configuraciones con un disco pequeño (o suma de discos pequeños, porque casi todos usan mútiples hélices pequeñas) serán mucho menos eficientes que cualquier ala rotatoria tradicional, sea helicóptero sea autogiro
Ya archi-conocida imagen explicando cómo varía la eficiencia del un VTOL volando a punto fijo en función de la carga del disco, proveniente del libro de la NASA: The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft: From Concept to Flight (PDF)

Y, dicho sea de paso, esto también explica por qué los resultados sobre viento producido aguas abajo de los rotores de los eVTOL medidos por la FAA, calculados por la CAA  y esperados por la EASA sean incluso mayores que en los  helicópteros.

Dirigibles de patrulla marítima en los años 50 y récords de vuelo

Durante el comienzo de la Guerra Fría, el Jefe de Operaciones Navales ordenó realizar estudios para evaluar plataformas de vuelo de larga duración que pudieran permanecer en el aire y utilizarse para detectar misiles entrantes de largo alcance y realizar patrullas antisubmarinas.

Un dirigible de la serie N y un Skyrider. Uno de los dos parece anacrónico

Los veteranos dirigibles hacía décadas que habían demostrado su eficacia en labores de patrulla y control, así que, por qué no, en plena década de los 50 podían ser aún una solución, temporal, decente para cubrir los vacíos entre las estaciones de radar terrestres, a pesar de su talón de Aquiles con la meteo, así que serían estudiados para estas funciones, y estarían en servicio hasta 1961, cuando el servicio fue cerrado tras una serie de accidentes.

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Florence «Pancho» Barnes, de debutante en Pasadena a aviadora impenitente

Normalmente se pone como ejemplo motivador a la aviadora Amelia Hearhart, sin embargo creo que hay otras muchas aviadoras y pioneras interesantes y que no nos podemos quedar en tan solo una.

Nos gusta recordar a otras pioneras como Bessie Coleman, Marie Marvingt, Elsie MacGill o la impenitente Pancho Barnes, incluso con la moral de hoy en día no estaría bien vista.

Pancho Barnes

Hoy voy a contar la historia de Pancho Barnes. Fue criada y educada como se hacía con un primogénito varón en 1900, y después de haber descubierto la libertad y la independencia, se negó a ser la señorita bien que se esperaba que fuera.

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