VTOL
Un avión de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) es aquel que puede despegar y aterrizar verticalmente sin depender de una pista. Esta clasificación puede incluir una variedad de tipos de aeronaves, incluidos helicópteros, así como aeronaves de ala fija con empuje vectorial y otras aeronaves híbridas con rotores motorizados, como ciclogiros/ciclocópteros y girodinos.
Algunas aeronaves VTOL también pueden operar en otros modos, como CTOL (despegue y aterrizaje convencionales), STOL (despegue y aterrizaje cortos) o STOVL (despegue y aterrizaje vertical cortos).. Otros, como algunos helicópteros, solo pueden operar como VTOL, debido a que la aeronave carece de tren de aterrizaje que pueda soportar el rodaje. 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 volar, despegar y aterrizar con perfiles verticales de aproximación/salida.
Se están desarrollando aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical, o eVTOL, junto con tecnologías de control de vuelo más autónomas y movilidad como servicio (MaaS) para permitir la movilidad aérea avanzada (AAM), que podría incluir vuelos a pedido. servicios de taxi, movilidad aérea regional, entrega de carga y vehículos aéreos personales (PAV).
Además de los omnipresentes helicópteros, actualmente hay dos tipos de aviones VTOL en el servicio militar: aviones de rotor basculante, como el Bell Boeing V-22 Osprey, y aviones de vectorización de empuje, como la familia Harrier y el nuevo F-35B Lightning. II Joint Strike Fighter (JSF). En el sector civil, actualmente solo se utilizan helicópteros (se han propuesto algunos otros tipos de aviones comerciales VTOL y están en desarrollo a partir de 2017). En términos generales, las aeronaves VTOL capaces de STOVL lo usan siempre que sea posible, ya que normalmente aumenta significativamente el peso de despegue, el alcance o la carga útil en comparación con el VTOL puro.
Historia
Accesorios, propulsores y helicópteros avanzados
La idea del vuelo vertical existe desde hace 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 probado muchos enfoques para desarrollar aviones prácticos con capacidades de despegue y aterrizaje verticales, incluido el avión experimental de ala fija de rotor horizontal de 1922-1925 de Henry Berliner y el de Nikola Tesla Patente de 1928 y patente de George Lehberger de 1930 para aviones VTOL de ala fija relativamente poco prácticos con motores basculantes. A fines de la década de 1930, al diseñador de aviones británico Leslie Everett Baynes se le otorgó una patente para el Baynes Heliplane, otro avión de rotor basculante. En 1941, el diseñador alemán Heinrich Focke's comenzó a trabajar en el Focke-Achgelis Fa 269, que tenía dos rotores que se inclinaban hacia abajo para el despegue vertical, pero los bombardeos durante la guerra detuvieron el desarrollo.
En mayo de 1951, tanto Lockheed como Convair obtuvieron contratos para intentar 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 entre 1954 y 1955, cuando se cancelaron los contratos. Del mismo modo, el Ryan X-13 Vertijet realizó una serie de vuelos de prueba entre 1955 y 1957, pero también corrió la misma suerte.
El uso de ventiladores verticales accionados por motores se investigó en la década de 1950. Los EE. UU. construyeron un avión en el que los gases de escape accionaban los ventiladores, mientras que los proyectos británicos no construidos incluían ventiladores accionados por accionamientos mecánicos de los motores a reacción.
La NASA ha volado otras naves VTOL, como la nave de investigación Bell XV-15 (1977), al igual que la Marina soviética y la Luftwaffe. Sikorsky probó un avión llamado X-Wing, que despegó a la manera de un helicóptero. Los rotores se volverían 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.
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 turbopropulsores Napier Eland que impulsaban hélices convencionales montadas en alas sólidas. para proporcionar propulsión, sirviendo las alas para descargar el rotor durante el vuelo horizontal. El Rotodyne fue desarrollado para combinar la eficiencia de un avión de ala fija en crucero con la capacidad VTOL de un helicóptero para brindar un servicio de avión comercial de corta distancia desde el centro de la ciudad hasta los aeropuertos.
El CL-84 Dynavert fue un monoplano de ala basculante de turbina V/STOL canadiense diseñado y fabricado por Canadair entre 1964 y 1972. El gobierno canadiense ordenó tres CL-84 actualizados para evaluación militar en 1968, denominados 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. Estos juicios involucraron a pilotos militares de los Estados Unidos, el 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 rotores basculantes como el Focke-Achgelis Fa 269 de mediados de la década de 1940 y el Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" de la década de 1950 llegó a las etapas de prueba o maqueta, el Bell-Boeing V-22 Osprey se considera el primer avión de rotor 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 corto (STOL). Está diseñado para realizar misiones como un helicóptero convencional con el rendimiento de crucero de alta velocidad y largo alcance de un avión turbohélice. La FAA clasifica al Osprey como un modelo de avión de sustentación motorizada.
En la década de 1960 se intentó desarrollar un avión comercial de pasajeros con capacidad VTOL. La propuesta de elevación vertical entre ciudades de Hawker Siddeley tenía dos filas de ventiladores de elevación a cada lado. Sin embargo, ninguno de estos aviones llegó a la 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 propulsado eléctricamente, el Blackfly, que según el fabricante es el primer avión ultraligero del mundo de ala fija, totalmente eléctrico, de despegue y aterrizaje vertical.
Drones modernos
En el siglo XXI, los drones no tripulados son cada vez más comunes. Muchos de estos tienen capacidad VTOL, especialmente el tipo quadcopter.
Ascensor a chorro
Cuidadores de cola
En 1947, la Marina de los EE. UU. encargó el Ryan X-13 Vertijet, un diseño de asiento trasero, y en 1948 emitió una propuesta para un avión capaz de despegar y aterrizar verticalmente (VTOL) a bordo de plataformas montadas en las cubiertas de popa de barcos convencionales. Tanto Convair como Lockheed compitieron por el contrato, pero en 1950, se revisó el requisito, con un pedido de un avión de investigación capaz de convertirse eventualmente en un caza de escolta de convoy basado en un barco VTOL.
Diseño convencional
Otra contribución funcional temprana más influyente al VTOL fue la plataforma de medición de empuje de Rolls-Royce ("soporte de cama voladora") de 1953. Esto condujo a los primeros motores VTOL como se usaron en el primer VTOL británico. avión, el Short SC.1 (1957), Short Brothers y Harland, Belfast, que usaba cuatro motores de elevación vertical con uno horizontal para empuje hacia adelante.
El Short SC.1 fue el primer avión VTOL de ala fija británico. 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 emitida 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 "fly-by-wire" sistema de control para una aeronave VTOL. Esto permitió tres modos de control de las superficies aerodinámicas o los controles de las boquillas.
El Republic Aviation AP-100 era un prototipo de caza de ataque con capacidad nuclear con motor VTOL 6x General Electric J85 turborreactor diseñado por Alexander Kartveli que tenía ventiladores con conductos 3x en el centro de su fuselaje y cola como un posible contendiente para el Programa TFX. Otro diseño fue el A400 AVS que usaba alas de geometría variable pero se consideró demasiado complicado, sin embargo condujo al desarrollo del AFVG que a su vez ayudó al desarrollo del Panavia Tornado.
El Yakovlev Yak-38 era un avión VTOL de la Marina soviética destinado a ser utilizado a bordo de sus portaaviones ligeros, cargueros y buques capitales. Fue desarrollado a partir del avión experimental Yakovlev Yak-36 en la década de 1970. Antes de que la Unión Soviética se disolviera, se desarrolló un avión VTOL supersónico como sucesor del Yak-38, el Yak-141, que nunca entró en producción.
En la década de 1960 y principios de la de 1970, Alemania planeó tres aviones VTOL diferentes. Uno usó 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 de la Fuerza Aérea Alemana y la OTAN. El EWR VJ 101C realizó despegues y aterrizajes VTOL libres, así como vuelos de prueba más allá de mach 1 a mediados y finales de los años 60. Uno de los aviones de prueba se conserva en el Deutsches Museum en Munich, Alemania, otro fuera del aeropuerto de Friedrichshafen. Los otros fueron el avión ligero de combate y reconocimiento VFW-Fokker VAK 191B y el transporte (de tropas) Dornier Do 31E-3.
El LLRV era un simulador de nave espacial para el módulo de aterrizaje lunar Apolo. 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.
Michel Wibault concibió la idea de usar el mismo motor para vuelo vertical y horizontal alterando la trayectoria del empuje. Condujo al motor Bristol Siddeley Pegasus que usaba cuatro boquillas giratorias para dirigir el empuje en una variedad de ángulos. Este fue desarrollado 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 en competencia 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 suele volar en modo STOVL, lo que le permite llevar una mayor carga de combustible o armamento a lo largo de 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 también 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 portaaviones es el "salto de esquí" cubierta delantera elevada, lo que le da a la nave un impulso vertical adicional en el despegue.
La portada de Popular Science de marzo de 1981 mostraba tres ilustraciones de su "Tilt-engine V/STOL: acelera como un avión, aterriza como un helicóptero" artículo de primera plana.; una historia de seguimiento fue parte de la edición de abril de 2006 que mencionaba "los problemas de estabilidad y consumo de combustible que plagaron el avión/helicóptero anterior".
Retirada de la Royal Navy británica en 2006, la Armada india siguió 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 haber sido operado por la Royal Air Force y la Royal Navy británicas. El Cuerpo de Marines de los Estados Unidos y las armadas italiana y española continúan utilizando el AV-8B Harrier II, una versión equivalente de diseño estadounidense. La variante STOVL del Lockheed Martin F-35 Lightning II, el F-35B, reemplaza al Harrier II/AV-8B en las armas aéreas de los EE. UU. y el Reino Unido.
Cohetes
SpaceX desarrolló varios prototipos de Falcon 9 para validar varios aspectos de ingeniería de baja velocidad y baja altitud de su programa de desarrollo de sistema de lanzamiento reutilizable. El primer prototipo, Grasshopper, realizó con éxito ocho vuelos de prueba en 2012-2013. Realizó su octavo y último vuelo de prueba el 7 de octubre de 2013, volando a una altitud de 744 metros (2441 pies) antes de realizar su octavo aterrizaje VTVL exitoso. Esta fue la última prueba programada para la plataforma Grasshopper; El siguiente paso 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.
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.
Giroavión
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 largos períodos de tiempo se debe a las palas del rotor relativamente largas y, por lo tanto, eficientes del helicóptero, y permite que un helicóptero realice tareas que las aeronaves de ala fija y otras formas de aeronaves de despegue y aterrizaje vertical podrían realizar. no funcionar al menos tan bien hasta 2011.
Por otro lado, las largas palas del rotor restringen la velocidad máxima a unas 250 millas por hora (400 km/h) de al menos los helicópteros convencionales, ya que la entrada en pérdida de las palas provoca inestabilidad lateral.
Autogiro
Los autogiros también se conocen como autogiros o girocópteros. El rotor no tiene potencia 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.
Girodina
Los girodinos también se conocen como helicópteros compuestos o autogiros compuestos. Un girodino tiene el rotor propulsado de un helicóptero con un sistema de empuje delantero separado de un autogiro. Además del despegue y el aterrizaje, el rotor puede estar sin potencia y autorrotar. Los diseños también pueden incluir alas cortas para mayor sustentación.
Ciclogiro
Un ciclogiro o ciclocóptero tiene un ala giratoria cuyo eje y superficies permanecen de lado a través del flujo de aire, como en un ala convencional.
Ascensor 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.
Rotor basculante
Un rotor basculante o proprotor inclina sus hélices o rotores verticalmente para VTOL y luego los inclina hacia adelante para un vuelo horizontal sostenido por las alas, mientras que el ala principal permanece fija en su lugar.
Ventilador basculante canalizado
Similar al concepto de rotor basculante, pero con ventiladores canalizados. Como se puede ver en el Bell X-22.
Basculante
Un ala basculante tiene sus hélices o rotores fijados a un ala convencional e inclina todo el conjunto para hacer la transición entre el vuelo vertical y el horizontal.
Cuidador de cola
Un asistente de cola se sienta verticalmente sobre su cola para el despegue y el aterrizaje, luego inclina todo el avión hacia adelante para el vuelo horizontal.
Empuje vectorial
La vectorización de empuje es una técnica que se utiliza para motores a reacción y cohetes, en los que 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 turboventiladores en lugar de motores con hélices.
Toberas de elevación
Un jet de sustentación es un motor a reacción auxiliar que se utiliza para proporcionar sustentación para la operación VTOL, pero puede apagarse para un vuelo normal con alas.
Ventiladores de ascensor
El ventilador de elevación es una configuración de aeronave en la que los ventiladores de elevación están ubicados en orificios grandes en un fuselaje o ala fija 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.
Lift a través del efecto Coandă
Las aeronaves en las que se logra el VTOL aprovechando el efecto Coandă son capaces de redirigir el aire de forma 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 suele ser el cuerpo del artesanía que permite menos material y peso.
El Avro Canada VZ-9 Avrocar, o simplemente el VZ-9, era 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 inclinado. Debido al efecto Coandă, el flujo de aire es atraído hacia 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 sustentación.
Jetoptera anunció una propuesta de línea de aviones basada en lo que llamó propulsión fluídica que emplea el efecto Coandă. La compañía reclama un número de eficiencia de Oswald de 1,45 para su diseño de caja. Otras afirmaciones incluyen una mayor eficiencia, un funcionamiento más silencioso y escalabilidad.
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vuelo F-35, transición a la configuración de STOVL, despegue vertical, recarga de inflight, arrastre vertical y aterrizaje
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