VTOL - VTOL

Una aeronave de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ) es aquella que puede flotar, despegar y aterrizar verticalmente. Esta clasificación puede incluir una variedad de tipos de aeronaves, incluidas las aeronaves de ala fija , así como helicópteros y otras aeronaves con rotores motorizados, como cyclogyros / cyclocopters y tiltrotors . Algunos aviones VTOL también pueden operar en otros modos, como CTOL (despegue y aterrizaje convencionales), STOL (despegue y aterrizaje cortos ) o STOVL ( despegue corto y aterrizaje vertical). Otros, como algunos helicópteros, solo pueden operar con VTOL, debido a que la aeronave carece de tren de aterrizaje que pueda manejar el movimiento horizontal. VTOL es un subconjunto de V / STOL (despegue y aterrizaje vertical o corto). Algunas aeronaves más ligeras que el aire también califican como aeronaves VTOL, ya que pueden flotar, despegar y aterrizar con perfiles verticales de aproximación / salida.

Los aviones de despegue y aterrizaje verticales eléctricos e híbridos-eléctricos , o eVTOL , se están desarrollando en la búsqueda de vehículos aéreos personales (PAV) totalmente autónomos .

Además del omnipresente helicóptero, actualmente hay dos tipos de aviones VTOL en el servicio militar: naves que utilizan un rotor basculante , como el Bell Boeing V-22 Osprey , y otro que utiliza propulsión a chorro dirigida, como la familia Harrier y el nuevo F-35B Lightning. II Joint Strike Fighter (JSF). En el sector civil, actualmente, solo los helicópteros son de uso general (se han propuesto algunos otros tipos de aviones VTOL comerciales y están en desarrollo a partir de 2017). En términos generales, los aviones VTOL capaces de STOVL lo usan siempre que sea posible, ya que generalmente aumenta significativamente el peso, el alcance o la carga útil de despegue en comparación con el VTOL puro.

Historia

Props, proprotores y helicópteros avanzados

La idea del vuelo vertical ha existido durante miles de años y los bocetos de un VTOL (helicóptero) aparecen en el cuaderno de bocetos de Leonardo da Vinci . Los aviones VTOL tripulados, en forma de helicópteros primitivos, volaron por primera vez en 1907, pero tardarían hasta después de la Segunda Guerra Mundial en perfeccionarse.

Además del desarrollo de helicópteros , se han intentado muchos enfoques para desarrollar aviones prácticos con capacidades de despegue y aterrizaje verticales, incluidos los aviones experimentales de ala fija de rotor horizontal de 1922-1925 de Henry Berliner , y la patente de 1928 de Nikola Tesla y la patente de 1930 de George Lehberger. para aviones de ala fija VTOL relativamente poco prácticos con motores basculantes. A finales de la década de 1930, el diseñador de aviones británico Leslie Everett Baynes obtuvo una patente para el Baynes Heliplane , otro avión de rotor basculante. En 1941, el diseñador alemán Heinrich Focke comenzó a trabajar en el Focke-Achgelis Fa 269 , que tenía dos rotores que se inclinaban hacia abajo para un despegue vertical, pero los bombardeos en tiempos de guerra detuvieron el desarrollo.

Convair XFY-1 Pogo en vuelo

En mayo de 1951, tanto Lockheed como Convair recibieron contratos en el intento de diseñar, construir y probar dos cazas VTOL experimentales. Lockheed produjo el XFV y Convair produjo el Convair XFY Pogo . Ambos programas experimentales pasaron al estado de vuelo y completaron vuelos de prueba 1954-1955, cuando se cancelaron los contratos. Del mismo modo, el X-13 voló una serie de vuelos de prueba entre 1955 y 1957, pero también sufrió la misma suerte.

El uso de ventiladores verticales impulsados ​​por motores se investigó en la década de 1950. EE. UU. Construyó un avión en el que los gases de escape del jet impulsaban a los ventiladores , mientras que los proyectos británicos que no se construyeron incluían ventiladores impulsados ​​por motores mecánicos de los motores a reacción.

Campana XV-15

La NASA ha volado otras naves VTOL como la nave de investigación Bell XV-15 (1977), al igual que la Armada soviética y la Luftwaffe . Sikorsky probó un avión llamado X-Wing , que despegó a la manera de un helicóptero. Los rotores se quedarían estacionarios en pleno vuelo y funcionarían como alas, proporcionando sustentación además de las alas estáticas. Boeing X-50 es un prototipo Canard Rotor / Wing que utiliza un concepto similar.

Fairey Jet Gyrodyne

Un proyecto VTOL británico diferente fue el gyrodyne , en el que se acciona un rotor durante el despegue y el aterrizaje, pero que luego gira libremente durante el vuelo, con motores de propulsión separados que proporcionan empuje hacia adelante. Comenzando con el Fairey Gyrodyne , este tipo de avión evolucionó más tarde hasta convertirse en el Fairey Rotodyne bimotor mucho más grande , que usaba tipjets para impulsar el rotor en el despegue y el aterrizaje, pero que luego usaba dos turbohélices Napier Eland que impulsaban hélices convencionales montadas en alas sustanciales. para proporcionar propulsión, las alas sirven para descargar el rotor durante el vuelo horizontal. El Rotodyne se desarrolló para combinar la eficiencia de un avión de ala fija en crucero con la capacidad VTOL de un helicóptero para proporcionar un servicio de avión de corta distancia desde el centro de las ciudades hasta los aeropuertos.

Los marines estadounidenses saltan de un V-22 Osprey , el primer avión de rotor basculante de producción
CL-84-1 ( CX8402 ) en exhibición en el Museo del Espacio y la Aviación de Canadá en Ottawa, Ontario

El CL-84 era un monoplano canadiense de ala basculante de turbina V / STOL diseñado y fabricado por Canadair entre 1964 y 1972. El gobierno canadiense ordenó tres CL-84 actualizados para evaluación militar en 1968, designados como CL-84-1. De 1972 a 1974, esta versión fue demostrada y evaluada en los Estados Unidos a bordo de los portaaviones USS Guam y USS Guadalcanal , y en varios otros centros. En estos ensayos participaron pilotos militares de Estados Unidos, Reino Unido y Canadá. Durante las pruebas, dos de los CL-84 se estrellaron debido a fallas mecánicas, pero no se produjeron pérdidas de vidas como resultado de estos accidentes. No se produjeron contratos de producción.

Aunque los motores basculantes como el Focke-Achgelis Fa 269 de mediados de los años 40 y el Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" de los años 50 alcanzaron etapas de prueba o maquetas, el V-22 Osprey es considerado el primer avión de motor basculante de producción del mundo . Tiene un proprotor de tres palas , un motor turbohélice y una góndola de transmisión montada en cada punta de ala. El Osprey es un avión multimisión con despegue y aterrizaje vertical (VTOL) y capacidad de despegue y aterrizaje cortos ( STOL ). Está diseñado para realizar misiones como un helicóptero convencional con el rendimiento de crucero de largo alcance y alta velocidad de un avión turbohélice . La FAA clasifica al Osprey como un modelo de avión de elevación motorizada.

En la década de 1960 se intentó desarrollar un avión comercial de pasajeros con capacidad VTOL. La propuesta de elevación vertical Hawker Siddeley Inter-City tenía dos filas de ventiladores elevadores a cada lado. Sin embargo, ninguno de estos aviones llegó a producción después de que fueron descartados por ser demasiado pesados ​​y costosos para operar.

En 2018, Opener Aero demostró un avión VTOL de ala fija con propulsión eléctrica, el Blackfly , que según el fabricante es el primer avión ultraligero de ala fija, totalmente eléctrico, de despegue y aterrizaje vertical del mundo.

Elevación de chorro

El Ryan X-13

Niñeras de cola

En 1947, la Marina de los EE. UU. Encargó Ryan X-13 Vertijet , un diseño de asiento trasero , que luego emitió una propuesta en 1948 para un avión capaz de despegue y aterrizaje verticales (VTOL) a bordo de plataformas montadas en las cubiertas de popa de los barcos convencionales. Tanto Convair como Lockheed compitieron por el contrato, pero en 1950, se revisó el requisito, con un llamado a un avión de investigación capaz de evolucionar eventualmente a un caza de escolta de convoyes VTOL basado en barcos.

Diseño convencional

"Armazón de cama volador" - Plataforma de medición de empuje Rolls-Royce

Otra contribución funcional temprana más influyente a VTOL fue Rolls-Royce 's empuje de medición del aparejo ( 'volar armazón de cama') de 1953. Esto llevó a los primeros motores VTOL tal como se utiliza en el primer avión VTOL británico, el corto SC.1 (1957) , Short Brothers y Harland, Belfast, que utilizaron cuatro motores de elevación vertical con uno horizontal para el empuje hacia adelante.

El Short SC.1 un avión delta VTOL

El Short SC.1 fue el primer avión británico VTOL de ala fija. El SC.1 fue diseñado para estudiar los problemas con el vuelo VTOL y la transición hacia y desde el vuelo hacia adelante. El SC.1 fue diseñado para cumplir con una solicitud de licitación (ER.143T) del Ministerio de Abastecimiento (MoS) para un avión de investigación de despegue vertical emitido en septiembre de 1953. El diseño fue aceptado por el ministerio y se firmó un contrato para dos (XG900 y XG905) para cumplir con la Especificación ER.143D del 15 de octubre de 1954. El SC.1 también estaba equipado con el primer sistema de control "fly-by-wire" para un avión VTOL. Esto permitió tres modos de control de las superficies aerodinámicas o los controles de la boquilla.

El Republic Aviation AP-100 era un prototipo de caza de ataque con capacidad nuclear VTOL 6x General Electric J85 Turbojet diseñado por Alexander Kartveli que tenía ventiladores con conductos 3x en el centro de su fuselaje y cola como posible candidato para el Programa TFX . Otro diseño fue el A400 AVS que usaba alas de geometría variable pero se encontró demasiado complicado, sin embargo condujo al desarrollo del AFVG que a su vez ayudó al desarrollo del Panavia Tornado .

El avión VTOL de la Unión Soviética , el Yakovlev Yak-38

El Yakovlev Yak-38 era un avión VTOL de la Armada soviética destinado a ser utilizado a bordo de sus portaaviones ligeros, buques de carga y buques capitales. Fue desarrollado a partir del avión experimental Yakovlev Yak-36 en la década de 1970. Antes de la desintegración de la Unión Soviética, se desarrolló un avión VTOL supersónico como sucesor del Yak-38, el Yak-141 , que nunca entró en producción.

Un alemán V / STOL VJ101 en exhibición en el Deutsches Museum , Munich, Alemania.
Do 31 E3 en exhibición en el Deutsches Museum , Alemania

En la década de 1960 y principios de la de 1970, Alemania planeó tres aviones VTOL diferentes. Uno utilizó el Lockheed F-104 Starfighter como base para la investigación de un avión V / STOL . Aunque se construyeron dos modelos (X1 y X2), el proyecto se canceló debido a los altos costos y problemas políticos, así como a las necesidades cambiantes en la Fuerza Aérea Alemana y la OTAN. El EWR VJ 101 C realizó despegues y aterrizajes VTOL gratuitos, así como vuelos de prueba más allá de mach 1 a mediados y finales de los 60. Uno de los aviones de prueba se conserva en el Deutsches Museum de Munich, Alemania. Los otros fueron el caza ligero y de reconocimiento VFW-Fokker VAK 191B , y el transporte de tropas Dornier Do 31 E-3.

El LLRV era un simulador de nave espacial para el módulo de aterrizaje lunar Apollo. Fue diseñado para imitar las características de vuelo del módulo lunar (LEM), que tenía que depender de un motor de reacción para aterrizar en la Luna.

La idea de utilizar el mismo motor para el vuelo vertical y horizontal alterando la trayectoria del empuje fue concebida por Michel Wibault . Condujo al motor Bristol Siddeley Pegasus , que utilizaba cuatro boquillas giratorias para dirigir el empuje en una variedad de ángulos. Esto se desarrolló junto con un fuselaje, el Hawker P.1127 , que posteriormente se convirtió en el Kestrel y luego entró en producción como el Hawker Siddeley Harrier , aunque el supersónico Hawker Siddeley P.1154 fue cancelado en 1965. Los franceses compitieron con el P.1154 había desarrollado una versión del Dassault Mirage III capaz de alcanzar Mach 1. El Dassault Mirage IIIV logró la transición de vuelo vertical a horizontal en marzo de 1966, alcanzando Mach 1.3 en vuelo nivelado poco tiempo después.

V / STOL

El Harrier generalmente se vuela en modo STOVL , lo que le permite transportar una mayor carga de combustible o armas a una distancia determinada. En V / STOL, la aeronave VTOL se mueve horizontalmente a lo largo de la pista antes de despegar con empuje vertical. Esto proporciona sustentación aerodinámica así como sustentación de empuje y permite despegar con cargas más pesadas y es más eficiente. Al aterrizar la aeronave es mucho más ligera debido a la pérdida de peso del propulsor y es posible un aterrizaje vertical controlado. Un aspecto importante de las operaciones de Harrier STOL a bordo de los portaaviones navales es la cubierta delantera elevada del "salto de esquí", que le da a la nave un impulso vertical adicional en el despegue.

La portada de marzo de 1981 de Popular Science mostraba tres ilustraciones para su artículo de portada de la portada de "Tilt-engine V / STOL: velocidades como un avión, aterriza como un helicóptero". una historia de seguimiento fue parte del número de abril de 2006 que mencionaba "el consumo de combustible y los problemas de estabilidad que plagaron el avión / helicóptero anterior".

Retirada de la Royal Navy británica en 2006, la Marina de la India continuó operando Sea Harriers hasta 2016, principalmente desde su portaaviones INS  Viraat . La última versión del Harrier, el BAE Harrier II , se retiró en diciembre de 2010 después de ser operado por la Royal Air Force británica y la Royal Navy. La Infantería de Marina de los Estados Unidos y las armadas italiana y española continúan usando el AV-8B Harrier II , una versión equivalente diseñada en Estados Unidos . Reemplazando al Harrier II / AV-8B en los brazos aéreos de los EE. UU. Y el Reino Unido, se encuentra la variante STOVL del Lockheed Martin F-35 Lightning II , el F-35B.

Drones modernos

En el siglo XXI, los drones no tripulados se están volviendo cada vez más comunes. Muchos de estos tienen capacidad VTOL, especialmente el tipo quadcopter .

Cohetes

SpaceX desarrolló varios prototipos de Falcon 9 para validar varios aspectos de ingeniería de baja altitud y baja velocidad de su programa de desarrollo de sistemas de lanzamiento reutilizables . El primer prototipo, Grasshopper, realizó ocho vuelos de prueba con éxito en 2012-2013. Hizo su octavo y último vuelo de prueba el 7 de octubre de 2013, volando a una altitud de 744 metros (2,441 pies) antes de realizar su octavo aterrizaje exitoso en VTVL. Esta fue la última prueba programada para la plataforma Grasshopper; lo siguiente serán las pruebas a baja altitud del vehículo de desarrollo Falcon 9 Reusable (F9R) en Texas, seguidas de las pruebas a gran altitud en Nuevo México. }} </ref>

El 23 de noviembre de 2015, el cohete propulsor New Shepard de Blue Origin realizó el primer aterrizaje vertical exitoso luego de un vuelo de prueba suborbital sin tripulación que llegó al espacio. El 21 de diciembre de 2015, la primera etapa de SpaceX Falcon 9 realizó un aterrizaje exitoso después de impulsar 11 satélites comerciales a la órbita terrestre baja en el vuelo 20 de Falcon 9 . Estas demostraciones abrieron el camino para reducciones sustanciales en los costos de los vuelos espaciales.

Rotorcraft

Helicóptero

La forma de VTOL del helicóptero le permite despegar y aterrizar verticalmente, flotar y volar hacia adelante, hacia atrás y lateralmente. Estos atributos permiten que los helicópteros se utilicen en áreas congestionadas o aisladas donde los aviones de ala fija normalmente no podrían despegar o aterrizar. La capacidad de flotar de manera eficiente durante períodos prolongados de tiempo se debe a las palas del rotor relativamente largas y, por lo tanto, eficientes, y permite que un helicóptero realice tareas que los aviones de ala fija y otras formas de aviones de despegue y aterrizaje verticales no podrían realizar al menos. también hasta 2011 .

Por otro lado, las palas largas del rotor restringen la velocidad máxima a aproximadamente 250 millas por hora (400 km / h) de al menos helicópteros convencionales, ya que el retroceso de las palas provoca inestabilidad lateral.

Autogiro

Los autogiros también se conocen como autogiros o autogiros. El rotor no tiene energía y gira libremente en el flujo de aire a medida que la nave avanza, por lo que la nave necesita un motor convencional para proporcionar empuje. Un autogiro no es intrínsecamente capaz de VTOL: para VTO, el rotor debe acelerarse mediante un accionamiento auxiliar, y el aterrizaje vertical requiere un control preciso del impulso y el paso del rotor.

Gyrodyne

Los girodinos también se conocen como helicópteros compuestos o autogiroplanos compuestos. Un girodino tiene el rotor propulsado de un helicóptero con un sistema de empuje hacia adelante separado de un autogiro. Aparte del despegue y el aterrizaje, el rotor puede no funcionar y girar automáticamente. Los diseños también pueden incluir alas de talón para mayor elevación.

Cyclogyro

Un cyclogyro o cyclocopter tiene un ala giratoria cuyo eje y superficies permanecen de lado a través del flujo de aire, como con un ala convencional.

Elevador motorizado

Convertiplano

Un convertiplano despega bajo la sustentación del rotor como un helicóptero, luego pasa a la sustentación de ala fija en vuelo hacia adelante.

Tiltrotor

Un rotor basculante o proprotor inclina sus hélices o rotores verticalmente para VTOL y luego los inclina hacia adelante para un vuelo horizontal con alas, mientras que el ala principal permanece fija en su lugar.

Ventilador inclinable con conductos

Similar al concepto de rotor basculante, pero con ventiladores canalizados. Como se puede ver en el Bell X-22 .

Tiltwing

Un ala inclinada tiene sus hélices o rotores fijados a un ala convencional e inclina todo el conjunto para la transición entre vuelo vertical y horizontal.

Niñera

Un asistente de cola se sienta verticalmente sobre su cola para el despegue y el aterrizaje, luego inclina todo el avión hacia adelante para un vuelo horizontal.

Empuje vectorial

La vectorización de empuje es una técnica utilizada para motores a reacción y cohetes, donde se varía la dirección del escape del motor. En VTOL, el escape se puede variar entre empuje vertical y horizontal.

Tiltjet

Similar al concepto de rotor basculante, pero con motores turborreactores o turbofán en lugar de propulsores.

Jets de elevación

Un chorro de elevación es un motor a reacción auxiliar que se utiliza para proporcionar elevación para el funcionamiento del VTOL, pero puede apagarse para un vuelo normal con alas.

Levantar ventiladores

El ventilador de elevación es una configuración de aeronave en la que los ventiladores de elevación se ubican en grandes orificios en un ala fija o fuselaje convencional. Se utiliza para la operación V / STOL.

La aeronave despega usando los ventiladores para proporcionar sustentación, luego hace la transición a sustentación de ala fija en vuelo hacia adelante. Se han volado varias naves experimentales, pero solo el F-35 Lightning II entró en producción.

Levante a través del efecto Coanda

Las aeronaves en las que se logra VTOL explotando el efecto Coandă son capaces de redirigir el aire de manera muy similar a la vectorización de empuje , pero en lugar de enrutar el flujo de aire a través de un conducto, el flujo de aire simplemente se enruta a lo largo de una superficie existente, que generalmente es el cuerpo de la nave permitiendo menos material y peso.

El Avro Canada VZ-9 Avrocar , o simplemente el VZ-9, fue un avión VTOL canadiense desarrollado por Avro Aircraft Ltd. que utiliza este fenómeno soplando aire en un área central, luego se dirige hacia abajo sobre la superficie superior, que es parabólico y se asemeja a un platillo volador arqueado . Debido al efecto Coanda, el flujo de aire se atrae a la superficie más cercana y continúa moviéndose a lo largo de esa superficie a pesar del cambio en la dirección de la superficie alejándose del flujo de aire. La nave está diseñada para dirigir el flujo de aire hacia abajo para proporcionar elevación.

Jetoptera anunció una línea propuesta de aviones basada en lo que llamó propulsión fluídica que emplea el efecto Coanda. La compañía afirma un número de eficiencia de Oswald de 1,45 por su diseño de ala de caja. Otras afirmaciones incluyen una mayor eficiencia, un funcionamiento más silencioso y escalabilidad.

Galería

Ver también

Referencias

Notas

Bibliografía

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enlaces externos