El que pudo ser el avión gigante de Lockheed Martin


Configuración de pasajeros de una de las aeronaves estudiadas por LM

Introducción

Finales de los años 80 y comienzos de los 90. Las aerolíneas se encuentran con un panorama de slots saturados, un aumento de la demanda de vuelos y se plantean aviones más grandes para aumentar el rendimiento de cada vuelo. Así llegaría a plantearse nuevas variantes del B-747, incluso de dos cubiertas completas, los Mc Donell Douglas MD-10 y MD-12, también de dos cubiertas, y por supuesto el A-380.

Lockheed Martin no sería menos, y se plantearía también el mismo estudio que sus competidores. Desde el fiasco del Tristar se había centrado básicamente en la aviación militar. Y junto con los puntos fuertes para iniciar un avión grande subsónico de transporte de pasajeros, anteriormente mencionados, estaba la necesidad de sustituir los viejos grandes transportes militares estratégicos. Como el C-5 Galaxy o el C-141 Starlifter.

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Turbo Wing® o sustituir los flaps por rotores oscilantes

Turbo Wing instalado en un aeromodelo para probar el concepto

No es la primera vez que presentamos en este blog aeronaves que recurren a motores extra para reducir la velocidad de despegue y aumentar las características STOL gracias a que estos motores soplan la capa límite, como el Catalina cuatrimotor o el An-2 con nueve motores, ni los que juegan con la capa límite y aumentar la circulación entorno al ala, aunque sí es posiblemente el primero que reemlaza los flaps con unos rotores basculantes.

Con 30 años de experiencia a sus espaldas en la NASA, Lockheed Martin y Martin Marietta, Frank S. Malvestuto Jr. intentó revolucionar la aeronáutica con un nuevo sistema hipersustentador que prometía reducir el consumo y mejorar las características STOL

Cómo funciona

Este concepto fue patentado en los años 70 por su inventor, Frank S. Malvestuto Jr., y llevado a la práctica primero en aeromodelos, para probar el concepto, y posteriormente en tres prototipos.

El invento consiste en un nuevo tipo de hipersustentador que debería reemplazar los flaps.

Ventiladores instalados en el ala, reemplazando a los flaps tradicionales

Si recordamos por qué vuelan los aviones, y qué son los hipersustentadores, entenderemos fácilmente cómo funciona el Turbo-Wing.

Esquema del funcionamiento del Turbo-Wing
Esquema del funcionamiento del Turbo-Wing

Al estar situado en el borde de salida y tomar aire del extradós y soplarlo hacia abajo, logra varios efectos. Por un lado fuerza a que la capa límite del extradós no se desprenda, permitiendo grandes ángulos de ataque y velocidades de pérdida bajas. Por otro lado, fuerza la circulación del aire entorno al perfil alar (acelera el aire en la parte superior), aumentando la sustentación. Además de eso, cada rotor está proporcionando sustentación, lo que descarga al ala, y le permite volar con un ángulo de ataque menor, reduciendo la resistencia aerodinámica.

Comparación de un avión normal vs el mismo modelo retrofitado con dos rotores

Primer prototipo

Después de ensayarlo en tunel de viento y aeromodelo, llegó el momento de probarlo en un avión real. El primero fue el Rotor-Wing 1, un avión experimental construido en los 80.

Rotor Wing 1

El proyecto comenzó en Brown Field, en San Diego. Recibió la matrícula N25RW. Se diseñó y se construyó desde cero, para probar el concepto de instalación de un rotor basculante en el borde de salida del ala. El avión voló al menos 2 veces en 1984, antes de comenzar la construcción de un segundo prototipo, el Rotor-Wing 2, que utilizaba el ala de una Cessna 150, así como un plano canard y un empenaje distinto. Sin embargo este segundo prototipo no llegó a ser terminado, por lo que nunca llegó a abandonar el suelo ni recibió matrícula alguna.

Rotor Wing según la patente

Cessna 207

En lugar de terminar el segundo prototipo se procedió a modificar un avión ya existente: una Cessna 207 matrícula N1581U.

Cessna 207 con los rotores instalados
Detalle de la instalación del rotor en el ala de la Cessna 207

Este avión, así modificado, realizó cientos de vuelos, con unas prestaciones espectaculares

ParámetrosAvión
no modificado
Turbo Wing
Peso al despegue (libras)35703570
Potencia al eje de los rotores (HP)15
Velocidad de despegue (mph)7535
Tasa de ascenso (fpm)8101600
Distancia de despegue, obstáculo de 50ft (ft)1’900400
Velocidad de aproximación (mph)8035
Distancia de aterrizaje, obstáculo de 50ft (ft)1’500300
Resultados de los ensayos realizados con la Cessna 207
Resultados de los ensayos realizados con la Cessna 207

Cessna Skymaster

Tras el éxito con la Cessna 207, los ensayos continuaron en el aeropuerto de Ramona. Allí se modificó una Cessna 337 Skymaster, matrícula N2225X, convirtiéndose así en posiblemente la única pull-push examotor.

Esquema de instalación de los cuatro rotores en el borde de salida
Skymaster convertida en hexamotor

Con los cuatro rotores instalados en el lugar de los flaps y movidos por 4 motores de 25HP, una vez más, el avión tenía unas características STOL impresionantes. Y, como los modelos anteriores, resultaba casi imposible de meter en pérdida.

Vista frontal de la Skymaster modificada
Vista trasera de la Skymaster modificada
ParámetrosAvión
no modificado
Turbo wing
Peso máximo al despegue – MTOW (libras)46305300
Potencia por rotor (HP)25
Velocidad de despegue (mph)7635
Tasa de ascenso (fpm)11002200
Distancia de despegue, obstáculo de 50ft (ft)1675330
Velocidad mínima de vuelo (mph)8530
Alcance, a velocidad máxima de crucero (millas)1100 miles1800 miles
Velocidad de aterrizaje (mph)7835
Distancia de aterrizaje, obstáculo de 50ft (ft)1’650300
Resultados del ensayo con la Skymaster

Aplicaciones propuestas: retrofits y aviones nuevos

La propuesta del inventor era reemplazar los flaps por este sistema, tanto en diseños nuevos como en aeronaves antiguas a las que se les podría dotar de una nueva vida como aeronaves STOL.

Propuesta de anfibio STOL con sistema Turbo Wing
Concepto de super transporte empleando el sistema de rotores Turbo Wing

¡Incluso llegó a proponer una modificación del C-130 Hércules!

Maqueta de un Hércules modificadp
Estimación de prestaciones del Hércules modificado contra el la versión sin modificar

Las mejoras generales aplicadas a cualquier aeronave que esperaba el inventor obtener son:

  • Reducción hasta de un 50% de la velocidad mínima
  • Reducción hasta de un 75% de las distancias de despegue y aterrizaje
  • Aumento hasta de un 50% de la tasa de ascenso
  • Alcance aumentado de un 50 a un 70%
  • Consumo reducido entre un 25 y un 50%, ¡a pesar de llevar motores extra!
  • Reducción drástica de la velocidad de entrada en pérdida
  • Ala casi imposible de meter en pérdida, y con una pérdida muy benévola
  • Mejor comportamiento ante viento cruzado, rachas y turbulencia

Obviamente no todo son ventajas, puesto que en caso de fallo de uno de los motores se produciría un evento de sustentación asimétrica, o en caso de perder el sistema habría que realizar un aterrizaje a alta velocidad.

El inventor

Frank S. Malvestuto Jr.

Frank S. Malvestuto Jr. comenzó su carrera en 1943, en el Centro de investigación de Langley, ahora de la NASA. Sus primeras investigaciones fueron sobre el comportamiento de las aeronaves durante las barrenas, cálculo de sus momentos de inercia, y posteriormente pasó a la aerodinámica de las aeronaves supersónicas, comportamiento de las alas rectas de diseño subsónico en vuelo supersónico.

En 1956 comenzó a trabajar en Edwards, la base aérea de la Fuerza Aérea, en California, aplicando sus conocimientos teóricos a aviones experimentales construidos a escala real, en lugar de escala de túnel de viento o aeromodelos.

En 1959 se incorporó a la división de Ciencias del Vuelo de Lockheed, como jefe de división. Era el responsable de los desarrollos teóricos y cálculo de actuaciones de los aviones y vehículos espaciales.

En 1964 se unió a Martin Marietta como jefe de Tecnologías de Vuelo, y dirigió el departamento de aerodinámica, mecánica de vuelo y sistemas de control térmico. También inició los diseños conceptuales de Lockheed y Martin Marietta para los conocidos aviones experimentales X-24A y X-24B.

En 1972 fundó su propia compañía, y dedicó todos sus esfuerzos a desarrollar y ensayar la tecnología del Turbo Wing®, en la que reunió 30 años de experiencia en investigación y desarrollo, además de su experiencia en desarrollo de prototipos.

Fuentes

Las alas de gran alargamiento de Marcel Hurel

Hemos mencionado los aviones Hurel Dubois dos veces en este blog. Así que ya va tocando dedicarles una entrada solo para ellos. La primera vez fue cuando presentamos el concepto de avión con ala de gran alargamiento con riostras de Boeing, y la segunda con el concepto de Airbus, que recurre a alas articuladas. Como hemos mencionado en otras ocasiones, un ala de gran alargamiento se comporta prácticamente como un ala de longitud infinita, minimizando los efectos de borde y por tanto aumentando la eficiencia del ala, reduciendo la necesidad de dispositivos de punta de ala para reducir los efectos del torbellino de punta de ala (resistencia inducida). Pero presenta varios problemas, uno es el que son demasiado esbeltas y hay que encontrar como sujetarlas al fuselaje sin que sea un sistema en exceso pesado, de ahí las riostras, o la articulación del segmento exterior, para reducir la transmisión de momentos al fuselaje. Otros problemas vienen derivados de que la gran flexibilidad del ala ocasiona no linealidades en las soluciones aerodinámicas (cuando se resuelven ciertas ecuaciones aerodinámicas aproximándolas con una serie de Fourier lo normal es quedarse solo con los primeros términos, despreciando los no lineales), así como fenómenos aeroelásticos.

Marcel Hurel es un diseñador y piloto francés. De hecho compitió en la más célebre copa de hidroaviación, como piloto de pruebas de CAMS voló su modelo 38 en el Trofeo Schneider, y se hizo famoso porque aprovechó en 1943 el primer vuelo de CAMS-Potez 161, un hidroavión examotor de 43 toneladas, para ponerlo lejos del alcance del ejército alemán, volando de la Francia ocupada a Bizerte, donde fue destruido en 1944.

Tras la guerra se asoció con Dubois, que era el socio capitalista, para diseñar el Hurel-Dubois 10. Este avión era un demostrador tecnológico para comprobar sus teorías acerca de las alas de gran alargamiento.

F-WFAN, rematriculado después F-BFAN

El alargamiento alar era de 32.5:1, más propio de un velero que de un avión a motor, ¡mucho menos de un avión de transporte! El HD-10 tenía un motor de 40HP, 12 metros de envergadura, y 480kg de MTOW, ¡prácticamente un ULM actual!. Con el motor de 75HP que se instaló después alcanzaba un crucero de 121mph. Las alas estaban construidas en aluminio-magnesio soldado, reforzadas con sendas riostras, mientras que el fuselaje era de tubo soldado revestido de tela.

Los resultados de los ensayos fueron positivos, logrando una buena sustentación con poca resistencia, y una capacidad de alabeo bastante sorprendete, a pesar de la gran envergadura que tiene. Entre 1948 y 1954 acumuló 218h 27 minutos de horas de vuelo, y actualmente se conserva en el Musée de l’Air et de l’Espace en Paris, en Le Bourget.

Monsieur Hurel tenía en mente desde el comienzo el hacer un avión de transporte, y logró que el gobiero francés apoyara su proyecto, con la construcción de dos prototipos prácticamente idénticos y que se diferenciaban tan solo en la motorización, y en que el segundo era 1.2m más largo, y la estructura reforzada: el HD-31 (F-WFKU, después F-BFKU) con los motores Wright Cyclone de 800HP y el HD-32 (F-WGVG, más tarde F-BGVG) con los Pratt and Whitney R1830 de 1200HP. El primero voló el 27 de enero de 1957, mientras que el segundo lo hizo el 29 de diciembre del mismo año.

HD31 en Le Bourget, minuto 2:55

La construcción de ambos era metálica, las alas tenian 46m de envergadura, y una relación de aspecto de 20.2:1, bastante menos que en el prototipo, pero aún así muy eficiente. En comparación, el DC-3 tenía una envergadura de 29 metros. El peso en vacío era de 11214kg, con un peso máximo al despegue de 19060kg. Con 6356kg de carga útil se le calculaba un alcance de 990km, a pesar de contar con la resistencia del tren fijo.

Del HD-32 se produciría un segundo ejemplar, el HD-321 (F-WHHA, más tarde F-BHHA), que se estrellaría el 31 de octubre del 56 en Bahía Guanabara, cerca de Río de Janeiro, en un vuelo de demostración, falleciendo una persona. El HD-32 se perdería el 10 de mayo de 1960 en un accidente en Villemoleix, saliéndose de pista. Este avión se puede ver, o se podía ver, aún allí.

El l’Institut Géographique National encargó una evolución de estos aparatos, el HD-34, con tren retráctil y morro acristalado. El primero de ellos (F-WHOO, más tarde F-BHOO) voló el 26 de febrero de 19570.

Sin embargo el avión producido en serie más exitoso que ha utilizado el concepto de Hurel es británico, el Shorts Skyvan, heredero del Miles-Hurel-Dubois HDM.105. Y visto lo visto, ¿quién dice que no puede ser el futuro de la aviación comercial?

Fuentes

Bella 01: medio avión medio zeppelin de los años 80-90

Esta aeronave lo tiene todo para estar en el blog. Por un lado tiene un tren de aterrizaje mixto, con ruedas, pero con un gran colchon de aire, tipo hovercraft (ver [ 1 ] y [ 2 ]), que le permite aterrizar en todo tipo de superficies, sea tierra, agua, hielo o una pista convencional. Por otro lado es un híbrido, mitad aeronave más ligera que el aire, mitad avión, como nuestro querido LEMV. ¡Y encima es STOL! (Short Take Off and Landing, despegue y aterrizaje verticales).

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Análisis: Aviones a hidrógeno

Airbus ha presentado sus tres propuestas para el futuro con aviones de cero emisiones. Básicamente dos aviones en configuración clásica, un regional con hélice y uno de corto y medio alcance con dos motores y alas con una flecha considerablemente menor que los actuales, lo que nos habla de aviones con una velocidad de crucero bastante menor, y que tiene pinta de ser un ala de flujo laminar natural, como el ensayado en el proyecto Cleansky Blade. Y un tercero, tipo blended wing body, que es un concepto que vuelve periódicamente desde los años treinta como avión de pasajeros del futuro, con propulsión distribuida situada en la parte trasera del fuselaje, como para ingerir la capa límite y que no se desprenda.

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