Los investigadores de RTX validan la «refrigeración por transpiración» en una prueba para DARPA.
Tras la barrera del sonido está la barrera del calor. De sobra son conocidos los problemas de algunas de las aeronaves más rápidas porque en frío «sudan» combustible, y hasta que no han calentado sus materiales por la fricción con la atmósfera y éstos no se han dilatado no se sellan las juntas entre los paneles. También es conocido los problemas de temperatura en el parabrisas del SR-71 o del X-15. Pues imaginad si quisiéramos volar aún más rápido.
Los misiles o los vehículos hipersónicos pueden desplazarse a través de la atmósfera a velocidades superiores a 5 veces la del sonido. Pero a esas velocidades, las cosas se calientan tanto que muchos materiales se derretirían. Y los que no se funden, se deforman mucho.
«Pasas de algo afilado a algo más redondeado», dijo John Sharon del Centro de Investigación Tecnológica de RTX, «y cuando pasas de afilado a redondeado, aumentas la resistencia y terminas ralentizando el vehículo, lo que afecta a cuán rápido y lejos podemos volar».
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) quiere resolver ese problema, por lo que pidió a investigadores de todo el país sus ideas.
Sharon y su equipo tenían una idea simple pero intrigante: hacer que el misil sude.
Así como los humanos usamos los poros para enfriar nuestros cuerpos, el equipo buscaba demostrar que los poros artificiales, llamados canales de refrigeración por transpiración, en la punta del misil podrían hacer lo mismo.
«La refrigeración por transpiración ha existido durante años. La naturaleza ya lo ha descubierto: los árboles lo usan y nosotros usamos nuestra piel», dijo Sharon. «Pero, ¿cómo lo aprovechamos para otras aplicaciones de ingeniería?».
A DARPA le gustó la idea y otorgó al centro de investigación un contrato para modelar, prototipar y probar su concepto junto con otros equipos universitarios e industriales en el marco del programa MACH.
«Cuando surgió la oportunidad, hicimos algunos cálculos rápidos y dijimos: ‘¿Esto parece que funcionará?’ y la respuesta fue ‘Sí'», dijo Sharon. «Entonces fue realmente cuestión de profundizar y hacer una modelización y simulación detallada».
Su concepto funciona colocando un compuesto en la punta del misil que se calienta y genera vapor. El gas luego se empuja a través de miles de finos capilares de transpiración.
El prototipo de pruebas es una pieza en forma de cuña de metal resistente al calor y es ligeramente más grande que una tarjeta de crédito. Para hacer los canales de enfriamiento lo más pequeños y eficientes posible, el equipo de Sharon colaboró con Collins Aerospace, una empresa de RTX, utilizando su experiencia en micromecanizado, un método avanzado de fabricación que utiliza láseres para crear piezas intrincadas.
Para demostrar que funcionaría, el equipo primero probó la cuña en un dispositivo quemador en el centro de investigación en East Hartford, Connecticut.
«Básicamente, es una gran antorcha de crème brûlée», dijo Sharon.
El dispositivo de quemador dirige una antorcha alimentada con gas natural y oxígeno hacia el prototipo de pruebas para imitar los cambios de temperatura que ocurrirían a velocidades hipersónicas. Una vez que el equipo tuvo confianza en el rendimiento del prototipo, realizaron pruebas más detalladas en una instalación que utiliza un arco eléctrico para calentar y expandir gases a altas temperaturas y velocidades, simulando las condiciones de vuelo muy rápido.
Los ensayos ofrecieron resultados preliminares de que el concepto funcionaría, pero Sharon dijo que necesitarán más investigación y mejoras antes de que la refrigeración por transpiración esté lista para ser utilizada en misiles hipersónicos. Los desafíos restantes incluyen descubrir cómo hacer que los canales sean aún más pequeños y determinar si sus hallazgos en un prototipo del tamaño de una tarjeta de crédito son escalables a un vehículo hipersónico de tamaño completo.
Sharon dijo que cree que lo que han aprendido podría tener aplicaciones para varios productos de RTX, incluyendo la refrigeración de las palas de la turbina de los motores de las aeronaves, y demostró que su modelización predictiva era fiable.
«Cuando vuelas a más de cinco veces la velocidad del sonido, la temperatura puede aumentar muy rápidamente, en una fracción de segundo», dijo Sharon. «Las personas del equipo involucradas en la modelización hicieron un trabajo increíble estimando cuánto tiempo sobreviviría el prototipo».
Encontrar respuestas a preguntas como esta es por lo que Sharon se unió al centro de investigación. Después de obtener su doctorado, lo vio como una oportunidad para aplicar investigaciones de vanguardia en la industria aeroespacial y de defensa.
«Demostrarlo en el laboratorio ha sido genial», dijo. «El siguiente paso siempre es tratar de decir: ‘¿Cómo podría un cliente adaptar esto y rendir mejor?'»
El Valkirie es posiblemente uno de los proyectos cancelados más conocidos por todos. Un bombardero que podía volar a Mach 3, con geometría de punta de ala variable… En una época en la que contar con los medios informáticos de diseño y simulación de hoy en día hubieran sido poco menos que una quimera. Y, sin embargo, volaba. Eran los años cincuenta, y en ingeniería todo o casi todo era posible, ¡y se invertía dinero en esos desarrollos por locos que parecieran!
El XB-70
Incluso antes del primer vuelo del B-58, la Fuerza Aérea estaba considerandoun sustituto que fuera más grande, más rápido, con más carga de bombas, y mejor. Emitiendo una solicitud en 1954 que surgió formalmente en 1955 como «Sistema de Armas 110 (WS-110)», que especificaba un bombardero de gran altitud y largo radio que transportaría una carga de guerra pesada y volaría a Mach 3.
Boeing y North American presentaron propuestas, pero los conceptos no eran exactamente lo que quería la Fuerza Aérea. Estos aviones habrían tenido un peso máximo al despegue de más de 450 toneladas (un millón de libras) y hubieran sido demasiado grandes para caber en los hangares existentes, dimensionados para el B-52, y hubiera complicado la logística, por su tamaño, en otras instalaciones. Las propuestas fueron rechazadas.
Ambas compañías volvieron a la mesa de dibujo y diseñaron un bombardero con una carga de bélica de 18,2 toneladas (20 000 libras) que podía volar a Mach 3 a una altitud de más de 21 kilómetros (70 000 pies), y aun así podría utilizar todas las instalaciones existentes. North American ganó en diciembre de 1957.
El diseño de la compañía, denominado B-70, tenía una configuración canard, con un fuselaje esbelto y un gran ala delta, cuyas puntas eran avatibles. Esta característica le permitía variar su geometría en vuelo, optimizando el ala para las fases del vuelo subsónicas y supersónicas.
El bombardero iba a ser propulsado por seis turborreactores General Electric J93, cada uno con un empuje de poscombustión de más de 127,5 kN (13.000 kgp / 30.000 lbf).
El tren de aterrizaje del triciclo presentaba conjuntos de tren delantero de dos ruedas y tren principal de cuatro ruedas. El avión se construiría principalmente ¡en acero inoxidable!, y se usaría titanio en secciones específicas críticas para el calor.
Pero, igual que los misiles aire-aire hicieron creer a algunos gerifaltes que no tenía sentido equipar con cañones a los cazas por ser un armamento obsoleto, el nacimiento de los misiles balísticos intercontinentales, con capacidad de portar ojivas nucleares hizo que el desarrollo de este tipo de bombarderos se viera frenado primero, cancelado después.
Eisenhower estaba muy molesto por insistencia de los generales para presionar a favor del B-70 en el Congreso. En diciembre de 1959, el programa B-70 se redujo a un solo prototipo y hasta una docena de bombarderos.
Con el cambio de presidencia las cosas no mejoraron. John F. Kennedy no estaba más entusiasmado con el B-70 que Eisenhower, y el 1 de marzo de 1961 anunció que el programa se reduciría a dos prototipos XB-70 y un avión de pre-producción YB-70.
El primer XB-70 hizo su debut en las instalaciones de North American en Palmdale, California, el 11 de mayo de 1964. Fue bautizado como Valkyrie y el prototipo inicial se designó como Air Vehicle 1 (AV / 1) , y recibió el número de serie 20001.
El Valkirie realizó su primer vuelo el 21 de septiembre de 1964. Fue ampliando su envolvente de vuelo poco a poco, superando Mach 1 por primera vez el 12 de octubre de 1964. Ya en 1965 realizó vuelos a Mach 1,4 y llegaría a superar Mach 2.
En su duodécimo vuelo, el 7 de mayo de 1965, mientras volaba a Mach 2,58, se rompió un trozo del ala y se apagaron cuatro de los seis motores. El piloto logró regresar exitosamente a pista volando con sólo dos motores. Una vez revisado y reparado, se reemplazaron los seis motores.
Para el verano de 1965 se presentaba el el AV/2, que despegaría por primera vez el 17 de julio de 1965. Las pruebas continuaron con ambos XB-70. El 14 de octubre de 1965, el AV/1 alcanzó Mach 3 a 21 kilómetros de altitud, pero sufrió daños en una de las puntas de ala. El AV / 1 nunca volvió superar Mach 2.5.
Se creyó que el AV / 2 tampoco tendría la resistencia estructural necesaria para superar Mach 3. Se planificaron vuelo de ensayo para incrementar la velocidad poco a poco. Se pensó que la mejor forma de evitar los sobre esfuerzos en el ala sería llegar a Mach 3 de forma incremental, primero sosteniendo Mach 2,8 hasta que la estructura alcanzaba su equilibrio térmico y estructural y cesaban los efectos transitorios, posteriormente se aceleraría a Mach 2,9, y se sostendría esta velocidad durante un tiempo, por los mismos motivos, para al final alcanzar Mach 3.
Tras la barrera del sonido hay que superar la barrera térmica. Las propiedades de los materiales cambian a peor y se degradan, las estructuras se deforman, y la temperatura se vuelve una barrera mucho más insalvable para superar Mach 3 que la potencia de los motores o la aerodinámica. El morro y otras partes del avión más expuestas al «choque» con el aire alcanzaban los 330 grados Celsius (625 grados Fahrenheit). El resto del avión se quedaba en sólo 232 grados Celsius. (450 grados Fahrenheit).
Para refrigerar el revestimiento se utilizaba un ingenioso sistema que involucraba al propio combustible: el combustible circulaba por las zonas críticas a refrigerar, actuando como el agua de un radiador, y llegaba a los motores convenientemente precalentado, lo que también era favorable para el motor. El espacio vacío que dejaba el combustible al irse consumiendo era rellenado con un gas inerte, nitrógeno.
El AV / 2 llegí finalmente a volar a Mach 3. Sus vuelos sirvieron también para definir las limitaciones que se impondrían posteriormente a cualquier vuelo supersónico: el ruido generado por el estampido sónico era inaceptable para la población. ¡Por eso el Concorde sólo volaba en supersónico sobre el océano!
En el vuelo número 37, en marzo de 1966, el sistema hidráulico del AV/1 falló, obligando al piloto a hacer un aterrizaje forzoso al no desplegarse de forma adecuada el tren de aterrizaje. El avión tardó 4.8km en detenerse, tras tocar el suelo.
Poco después el AV/2 sufrió un fallo similar, el 30 de abril de 1966. El tren de morro no se desplegó. El piloto realizó dos tomas y despegues, intentando que el tren de morro terminara de desplegarse por su propia inercia. Finalmente, tras varias horas de vuelo buscando soluciones, los ingenieros, en tierra, encontraron la solución y explicaron a la tripulación cómo conectar un sistema eléctrico de respaldo, puenteando un fusible con un clip, y el tren de morro se desplegó.
El 19 de mayo de 1966, AV/2 voló a Mach 3 durante 33 minutos sostenidos. La fase 1 de los ensayos se había completado. Seguirían con la segunda fase, con la NASA cada vez más involucrada en los vuelos de ensayo, durante los cuales se recogían invaluables datos.
El 8 de junio de 1966 se produciría la catástrofe, que todos conocemos, durante una sesión de fotos con otros cuatro aviones que también usaban motores General Electric.
Uno de los aviones era un F-104 Starfighter, pilotado por el conocido piloto de pruebas Joe Walker. Volaba como punto derecho del XB-70 cuando terminó la sesión de fotos. El Starfighter chocó contra el Valkirie. El F-104, que explotó matando al piloto, había dañado el XB-70. El XB-70, al comienzo, siguió volando con normalidad. Luego, la aeronave realizó dos alabeos lentos y comenzó a girar. White logró eyectarse, pero Cross cayó con el avión, que se estrelló contra el suelo unos kilómetros al norte de Barstow, California.
Sus versiones más extrañas
Por supuesto, un avión capaz de volar a esas velocidades, casi in-interceptable, y a esa altitud de vuelo, podía ocupar muchos otros nichos muy interesantes. Si se llegó a pensar en el B747 como transporte de tanques, ¿cómo no se iba a querer sacar provecho de tal maravilla tecnológica diseñando otras versiones que pudieran cubrir otras demandas distintas a las de bombardeo?
Una de las modificaciones potenciales eran para dar soporte al propio bombardero. En caso de ser desplegado a una base aérea no habitual, podría llevar un contenedor externo cargado de todo lo necesario para realizar las labores de mantenimiento mientras se encontraba en la base de dispersión o, en general, en la base no habitual.
Por supuesto, era una plataforma idónea para la experimentación de otros vehículos. ¡Qué mejor plataforma de lanzamiento de vehículos hipersónicos de investigación que un avión que ya de por sí solo podía volar a tres veces la velocidad del sonido! Algunos tipos de vehículos, como el vehículo de prueba suborbital defuselaje sustentador Martin SV-5, solo requerían carenados delanteros y traseros en lugar de un recinto completo.
Por ese mismo motivo recibió mucha atención de empresas públicas y privadas, de civiles y militares. Podía ser una buena plataforma para lanzar desde 21000 metros satélites, vehículos orbitales o suborbitales… y reemplazar los costosos cohetes y sistemas de lanzamiento balísticos por un avión reutilizable.
El relativamente pequeño X-20 Dyna-Soar podría transportarse bajo el B-70, con solo añadir un carenado ventral. Este concepto era lo suficientemente atractivo como para hacer que las pruebas en el túnel de viento fueran un requisito antes de que pudiera continuar. Con la cancelación del programa Dyna-Soar, la USAF detuvo todas las investigaciones.
Lockheed construyó el RM-81 Agena originalmente para el programa de satélites de reconocimiento WS-117L. Después de que WS-117L se dividiera en tres programas, el Agena se convirtió en un acelerador de etapa superior y portador de satélite. Lanzar el Agena desde un propulsor recuperable como un B-70 ahorraría un costo significativo en comparación con los grandes cohetes desechables de la época.
Incluso se pensó en el Valkirie como lanzador reutilizable para el Programa Gemini.
Recordáis que hubo un tiempo durante la guerra fría durante el cual siempre había tripulaciones de B-52 armados volando, por si llegaba el caso de tener que utilizar la fuerza, y que además actuaban como medida disuasoria. Pues se pensó que el Valkirie hubiera podido ser una medida mucho más disuasoria todavía, si hubiera volado en misiones similares a estas si hubiera volado armado con un silo porta misiles balísticos intercontinentales LGM-30 Minuteman II.
El muy exitoso programa X-15 hizo que se propusiera una variante con ala delta, capaz de volar aún más rápido y alto que el propio X-15. Para maximizar el potencial de este nuevo vehículo, ¿qué mejor que lanzarlo ya a Mach 3 desde el Valkirie?
El usarlo como misilero no caería en el olvido fácilmente y se propondrían distintas variaciones de la misma misión. Sobre estas líneas el concepto de porta misiles de propósito general, proponía usar una plataforma misilística común con diferentes ojivas adaptadas para diferentes objetivos similares a las armas inteligentes de hoy. Con no menos de 14 de estas armas, el B-70 estaba listo para cualquier amenaza. Debajo, un B-70 equipado con misiles GAM-87 Skybolt.
Y, siendo un avión invulnerable, ¿cómo no hacer una versión de reconocimiento? Las modificaciones necesarias para convertir el YB-70A en el RSB-70A, de reconocimiento/ataque, incluían el cambio de aviónica, la adición de cámaras de reconocimiento y la instalación de un bastidor rotativo, tipo revólver, como el que montarían bombarderos diseñados tiempo después.
El XB-70 era rápido, muy rápido. Pero eso no significaba que no se quisiera volar aún más rápido. Y para ello era necesario poder investigar con estatorreactores, e intentar llegar a tener vehículos o misiles hipersónicos, ahora tan en boga.
Y como olvidarnos de todas las conversiones que hemos visto de aviones militares a aviones ejecutivos o de transporte. El Valkirie no podía ser menos. Modificar el XB-70, un avión que ya estaba en vuelo y se conocían sus fortalezas y deficiencias, era la manera más rápida de tener un avión de pasajeros supersónico, modificando su fuselaje para incluir ventanas.
La configuración normal de asientos podría acomodar a 80 pasajeros, mientras que la de alta densidad admitía hasta 107.
Además el Valkirie podría configurarse como avión de evacuación médica de muy alta velocidad, pudiendo transportar hasta 48 heridos más el personal sanitario.
Las modificaciones incluían el fuselaje superior, para hacer hueco a los pasajeros y añadir ventanas, un área para transportar el equipaje, una puerta de carga más baja y la reducción de la cantidad de combustible que se podía transportar.
Las versiones de alta densidad y de evacuación médica tenían una clara vocación militar.
Incluso se propuso una versión puramente de carga. Se intentó demonstrar que la capacidad de carga de su transporte supersónico podía ser igual o mejor que la de transportes más grandes. Tal vez no pudiera llevar tanta carga, pero sí podía hacerlo más rápido, y cubrir más veces el mismo trayecto en el mismo tiempo.
Se plantearon distintas soluciones para cargar el avión, un morro basculante como el del C-5, puertas de carga en la panza, o el uso de contenedores cargados bajo el fuselaje.
Repostar aviones supersónicos tan rápidos como el Valkiria hubiera sido más sencillo si un avión igual actuaba de cisterna.
Para solucionar los problemas de su manejo a baja velocidad, para acortar la carrera de despegue y aterrizaje y poder utilizar pistas convencionales, se pensó en acoplar un ala Rogallo retráctil. También se pensó instalar en el F-100.
Y, por supuesto, habiendo en desarrollo aviones de pasajeros supersónicos, cazas, bombarderos así como queriendo desarrollar vehículos hipersónicos… había en desarrollo nuevos motores. Y había que ensayarlos en algún avión… la seguridad que aportaba la condición de multimotor y su alta velocidad, hacían al Valkirie ideal para este cometido…
Fondo de pantalla para movil que ha liberado Lockheed Martin
El parecido que muestra el Darkstar con el SR-72 fue evidente en cuanto se vieron los primeros trailers. Tan realista era es el Darkstar que China redirigió uno de sus satélites militares para poder espiar el avión, pensando que era real. Y, al ver la película, no sorprende el logo de Skunk Works en el avión.
La mofeta de Skunk Works
La participación de Skunk Works de Lockheed Martin en el diseño del Darkstar fue confirmada por el propio CEO de LM en una publicación de Linkedin.
Lockheed Martin Skunk Works® aborda trabajos aparentemente imposibles, desarrollando tecnologías para los desafíos del mañana incluso antes de que se identifique la necesidad.
Desde la creación de capacidades furtivas para evadir radares hasta aviones X que redefinen el estampido sónico y muchas tecnologías revolucionarias intermedias, Skunk Works tiene una larga tradición de desarrollar rápidamente innovaciones duraderas para cuando más se necesitan.
Cuando el equipo de Top Gun: Maverick buscaba ir más allá y mantenerse fiel al «Need for Speed» de Maverick, Skunk Works fue su primera llamada. Con la experiencia de Skunk Works en el desarrollo del avión conocido más rápido combinado con la pasión y la energía para definir el futuro de la industria aeroespacial, las capacidades de Darkstar podrían ser más que mera ficción. Podrían ser la realidad…
Darkstar puede no ser real, pero sus capacidades sí lo son. La tecnología hipersónica, o la capacidad de viajar a 60 millas por minuto o más rápido, es una capacidad que nuestro equipo continúa promoviendo hoy al aprovechar más de 30 años de inversiones hipersónicas y experiencia en desarrollo y pruebas. La misión es defender y proteger a nuestra nación y aliados con el discriminador de la velocidad.
Así pues no es de extrañar que el Darkstar sea parecido al SR-72. No obstante, la misión de un aparato determina en gran parte su forma, y el vuelo hipersónico hace que estos aparatos tengan formas similares. Pero si además estaba Skunk Works detrás… lo normal es que se basaran en los renders públicos del SR-72, y añadieran algo de su conocimiento, a modo de asesoramiento técnico.
Este asesoramiento técnico se deja notar también en el funcionamiento de los motores. Un motor que funciona bien en subsónico e incluso en supersónico no funciona bien en hipersónico. De ahí el ciclo combinado, el poder funcionar como turborreactor primero y como estatorreactor después, no muy distinto a aquel motor de JAXA que os presentamos en 2006.
Motor de ciclo combinado del SR-72, y del Darkstar
También se deja notar en los otros desafíos a los que se enfrenta el avión, y que aparecen también publicados en la web de Lockheed-Martin.
Desafíos del vuelo hipersónico
Cómo de rápido es volar en hipersónico
Las aeronaves se clasifican de muchas maneras, una de ellas es según su velocidad de vuelo. Como el aire se comporta distinto, y de una forma más rara cuanto más rápido se vuela, y este comportamiento se relaciona con cómo de cerca se vuela de la velocidad del sonido. La velocidad del sonido cambia con la densidad y la temperatura del aire, por eso no se da en km/h, sino en números de Mach, siendo Mach 1 la velocidad del sonido, Mach 0.5 la mitad de la velocidad del sonido…. Por eso se suelen diferenciar los siguientes regímenes:
Subsónico incompresible, aproximadadamente hasta Mach 0.5/0.6
Subsónico compresible, hasta Mach 0.8
Transónico, hasta la velocidad del sonido
Supersónico, por encima de Mach 1
Hipersónico, por encima de Mach 5
Y el cómo es esto de rápido, se ve muy bien en este gráfico de Lockheed Martin.
Comparativa de cómo de lejos se llega en 30 minutos a distintas velocidades. Pinchad la foto para ampliar. Via Lockheed Martin
Conoce a los empleados de Lockheed que participaron en el DarkStar
Para terminar, Lockheed ha publicado en su canal de Youtube las entrevistas a los creadores del DarkStar
JIm, diseñador conceptual
Jason, ingeniero de radio frecuencia y Lucio, que construye los modelos de tunel de viento
