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| Nutcracker Tipo C aproximándose a una fragata, según la interpretación de un artista de la Grumman. Créditos a quien corresponda |
A pesar de que el titulo de este poste suene a una broma, la realidad es que se trato de un proyecto real de la Grumman llamado "Nutcracker" o cascanueces en ingles.
Nutcracker era el sistema diseñado por el fabricante que mediante una bisagra, podía articular la parte posterior de su fuselaje para así poder mantenerse en vuelo estacionario. Sin lugar a dudas, una aproximación poco ortodoxa al VTOL que será cubierto en nuestro posteo.
A finales de los años 60, un estudio de la Marina estadounidense arrojó como resultado que, en caso de un conflicto armado con la U.R.S.S., el despliegue de grandes convoyes marítimos de abastecimiento sería necesario. Esto planteo un problema en el seno de la fuerza, ya que sus principales medios eran ofensivos y no había mucha disponibilidad de unidades menores que pudieran hacer de escolta.
Cuando el Almirante Elmo Zumwalt es asignado Jefe de operaciones navales (CNO) impulsa la idea de unidades pequeñas de escolta llamadas "Sea Control Ship (SCS)" las cuales embarcarían medios aéreos tales como helicópteros y aviones VTOL (de despegue y aterrizaje vertical) como sus principales medios ofensivos.
Nutcracker era el sistema diseñado por el fabricante que mediante una bisagra, podía articular la parte posterior de su fuselaje para así poder mantenerse en vuelo estacionario. Sin lugar a dudas, una aproximación poco ortodoxa al VTOL que será cubierto en nuestro posteo.
A finales de los años 60, un estudio de la Marina estadounidense arrojó como resultado que, en caso de un conflicto armado con la U.R.S.S., el despliegue de grandes convoyes marítimos de abastecimiento sería necesario. Esto planteo un problema en el seno de la fuerza, ya que sus principales medios eran ofensivos y no había mucha disponibilidad de unidades menores que pudieran hacer de escolta.
Cuando el Almirante Elmo Zumwalt es asignado Jefe de operaciones navales (CNO) impulsa la idea de unidades pequeñas de escolta llamadas "Sea Control Ship (SCS)" las cuales embarcarían medios aéreos tales como helicópteros y aviones VTOL (de despegue y aterrizaje vertical) como sus principales medios ofensivos.
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| Concepción artística del SCS de la Marina de los Estados Unidos. Fuente: Wikimedia Commons |
El sucesor de Zumwalt, James Holloway III cambia el enfoque de esta doctrina, descartando los SCS y proponiendo en su lugar una unidad más grande llamada "VSTOL Support Ship (VSS)", capaz de llevar más aeronaves que las SCS (22 contra las 20 del SCS) y ampliar el uso de aviones VTOL a los portaaviones convencionales y unidades menores, como fragatas e incluso a buques mercantes.
Un grupo de estudio, designado por Holloway, definió que para llevar a cabo este cambio doctrinario, serían necesarias 3 tipos de aeronaves diferentes:
-Tipo A: Aeronave subsónica S/VTOL para tareas generales, tales como transporte y misiones anti-submarino/anti-superficie, capaz de operar desde las unidades más grandes de la flota.
-Tipo B: Aeronave de ataque utilizando tecnología de toreras vectoriales, como el AV-8A Harrier usado por los Marines, combinada con la tecnología "TAW" (o ala aumentada por impulso) cómo el Rockwell XFV-12.
-Tipo C: Aeronave subsónica VTOL de propósitos generales, similar a la Tipo A, pero capaz de operar desde unidades más pequeñas como fragatas, destructores o buques mercantes.
Desde el punto de vista de la Armada, las tecnologías de propulsión de la época hacían factible la aeronave Tipo A en el mediano plazo; además el alto mando aseguraba que en los próximos 20 años las embarcaciones de la flota serían capaces de operar estos aparatos desde sus cubiertas.
Otro de los conceptos en boga para la época era el "tail sitter" una aeronave que despegaba verticalmente, como un cohete, rotaba para el vuelo horizontal y volvía a rotar para aterrizar en la misma posición; esta configuración, si bien fue probada varias veces nunca pudo ser resuelta satisfactoriamente.
Bob Kress, ingeniero de Grumman, trabajó en una solución poco ortodoxa; la misma buscaba eliminar los motores de sustentación que aportan complejidad y peso a la aeronave. Por una parte, se utilizaron dos motores turbo fan capaces de generar un gran volumen de aire instalados en la parte de atrás del fuselaje.
Hasta aquí nada fuera de lo común, la innovación radicaba en el mecanismo para cambiar la dirección del empuje de los motores; al instalar una bisagra en el fuselaje, todo el conjunto rotaba unos 90º hasta dejar los motores perpendiculares al horizonte.
Las ventajas eran evidentes, por un lado, no era necesario la instalación de los motores de sustentación, por otro la cabina permanecia horizontal al piso evitando la desorientación de los pilotos. Finalmente, la complejidad y por ende el tamaño de la aeronave, quedaban reducidas sustancialmente.
Un grupo de estudio, designado por Holloway, definió que para llevar a cabo este cambio doctrinario, serían necesarias 3 tipos de aeronaves diferentes:
-Tipo A: Aeronave subsónica S/VTOL para tareas generales, tales como transporte y misiones anti-submarino/anti-superficie, capaz de operar desde las unidades más grandes de la flota.
-Tipo B: Aeronave de ataque utilizando tecnología de toreras vectoriales, como el AV-8A Harrier usado por los Marines, combinada con la tecnología "TAW" (o ala aumentada por impulso) cómo el Rockwell XFV-12.
-Tipo C: Aeronave subsónica VTOL de propósitos generales, similar a la Tipo A, pero capaz de operar desde unidades más pequeñas como fragatas, destructores o buques mercantes.
Desde el punto de vista de la Armada, las tecnologías de propulsión de la época hacían factible la aeronave Tipo A en el mediano plazo; además el alto mando aseguraba que en los próximos 20 años las embarcaciones de la flota serían capaces de operar estos aparatos desde sus cubiertas.
El origen del Nutcracker
Los conceptos VTOL de la época se basaban en la utilización de dos conjuntos motrices, uno que permitía el vuelo horizontal de la aeronave y otro conjunto, compuesto por motores de sustentación, era responsable por el vuelo vertical. Esta aproximación venía acompañada de varias limitaciones, la primera era el enorme espació que ocupaban los motores de sustentación y el peso muerto que los mismos representaban durante el vuelo horizontal.Otro de los conceptos en boga para la época era el "tail sitter" una aeronave que despegaba verticalmente, como un cohete, rotaba para el vuelo horizontal y volvía a rotar para aterrizar en la misma posición; esta configuración, si bien fue probada varias veces nunca pudo ser resuelta satisfactoriamente.
Bob Kress, ingeniero de Grumman, trabajó en una solución poco ortodoxa; la misma buscaba eliminar los motores de sustentación que aportan complejidad y peso a la aeronave. Por una parte, se utilizaron dos motores turbo fan capaces de generar un gran volumen de aire instalados en la parte de atrás del fuselaje.
Hasta aquí nada fuera de lo común, la innovación radicaba en el mecanismo para cambiar la dirección del empuje de los motores; al instalar una bisagra en el fuselaje, todo el conjunto rotaba unos 90º hasta dejar los motores perpendiculares al horizonte.
Las ventajas eran evidentes, por un lado, no era necesario la instalación de los motores de sustentación, por otro la cabina permanecia horizontal al piso evitando la desorientación de los pilotos. Finalmente, la complejidad y por ende el tamaño de la aeronave, quedaban reducidas sustancialmente.
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| Grumman produjo dos modelos a radio control para evaluar la factibilidad del diseño, uno de ellos era para evaluar el vuelo horizontal. Fuente: Aviation Week and Space Technology. |
La Armada estaba entusiasmada con el concepto, ya que el mismo podía operar desde las fragatas clases FF 1052 y 1040; las fragatas misilísticas FFG y los destructores DD 936 con mínimas modificaciones a los buques. El arma veía un gran potencial en el sistema Nutcracker para desarrollar las aeronaves Tipo A con un peso de 20.500 kg y las Tipo C, más liviana. Se estimaba enviar una solicitud de propuestas a Grumman, junto con el resto de los fabricantes para el otoño de 1979.
Grumman estimaba un mercado de cerca de 200 aeronaves Nutcracker para la Armada más otras 250 unidades para naciones amigas que no podían costear un portaaviones convencional.
Una bisagra que permitía articular el fuselaje se encontraba situada detrás de la sección de la cabina, un actuador hidráulico proveía la fuerza para mover esta parte de la aeronave. Los empeneajes de cola se encontraban directamente en el chorro de escapa de los motores y los mismos actuarían como controles de cabeceo, guiñada y alabeo durante el vuelo horizontal y vertical.
El tren de aterrizaje era convencional triciclo y estaba instalado de manera que el tren principal quedara en la parte trasera del fuselaje, siendo así compatible con el sistema de recuperación que sería instalado en el barco.
Grumman estimaba un mercado de cerca de 200 aeronaves Nutcracker para la Armada más otras 250 unidades para naciones amigas que no podían costear un portaaviones convencional.
Desarrollando el concepto.
La planta motriz seleccionada era el turbo fan General Electric TF34, el cual sería modificado con "fans" más grandes para mejorar la relación peso/empuje. Ubicados en la parte de atrás del fuselaje y debajo de las alas para asegurar un flujo de aire sin interrupciones.Una bisagra que permitía articular el fuselaje se encontraba situada detrás de la sección de la cabina, un actuador hidráulico proveía la fuerza para mover esta parte de la aeronave. Los empeneajes de cola se encontraban directamente en el chorro de escapa de los motores y los mismos actuarían como controles de cabeceo, guiñada y alabeo durante el vuelo horizontal y vertical.
El tren de aterrizaje era convencional triciclo y estaba instalado de manera que el tren principal quedara en la parte trasera del fuselaje, siendo así compatible con el sistema de recuperación que sería instalado en el barco.
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| Diagrama de una aeronave Tipo C, 1. Trabas, 2. Actuador, 3. Bisagra y 4. Superficies móviles. Fuente: Aviation Week and Space Technology. |
Otras características que se preveían en el diseño era, mandos de vuelo Fly-by-wire, un tanque de combustible en el cajón alar que terminaba justo en el punto de quiebre del fuselaje y toda la aviónica, armamento y equipo anti submarino sería instalado en el fuselaje delantero.
Dos maquetas radiocontroladas fueron construidas para evaluar el diseño. La primera realizada en 1/5 de escala, pesaba unos 15 kg y tenía una envergadura de 2.75 mts estaba configurada para vuelo horizontal; la segunda de 1/6 de escala, tenía una envergadura de 2 mts y un peso de 10 kg se utilizaba para evaluar la configuración VTOL en vuelos cautivos.
El mecanismo de quiebre del fuselaje estaba construido alrededor de un actuador con tornillo sin fin tomado del sistema de geometría variable del F-14 Tomcat; para asegurar las dos piezas del fuselaje juntas se usaba un pin, inspirado en los mecanismos de pliegue de alas aplicado en los aviones navales.
Según el fabricante, comparado con una aeronave que utiliza motores de sustentación, este sistema sería un 23% más liviano y solo un 18% más pesado que una aeronave embarcada convencional; con respecto a los costos, Grumman aseguraba que el Nutcracker era 25% más barato de operar que otros aparatos VTOL.
La aeronave se aproximaría al barco a una velocidad de 1,5 mts/s con una sonda en la nariz extendida; dicha sonda haría contacto con un receptáculo posición al final de un brazo telescópico a 6 mts sobre la cubierta del lado de estribor.
Por medio de esta sonda, la aeronave podría ser reabastecida de combustible, además de aterrizar, luego de tener el avión asegurado al brazo, una plataforma rotase elevaría hacia la aeronave y acompañaría a la parte trasera del fuselaje en su rotación hasta quedar paralelo a la cubierta.
Dos maquetas radiocontroladas fueron construidas para evaluar el diseño. La primera realizada en 1/5 de escala, pesaba unos 15 kg y tenía una envergadura de 2.75 mts estaba configurada para vuelo horizontal; la segunda de 1/6 de escala, tenía una envergadura de 2 mts y un peso de 10 kg se utilizaba para evaluar la configuración VTOL en vuelos cautivos.
El mecanismo de quiebre del fuselaje estaba construido alrededor de un actuador con tornillo sin fin tomado del sistema de geometría variable del F-14 Tomcat; para asegurar las dos piezas del fuselaje juntas se usaba un pin, inspirado en los mecanismos de pliegue de alas aplicado en los aviones navales.
Según el fabricante, comparado con una aeronave que utiliza motores de sustentación, este sistema sería un 23% más liviano y solo un 18% más pesado que una aeronave embarcada convencional; con respecto a los costos, Grumman aseguraba que el Nutcracker era 25% más barato de operar que otros aparatos VTOL.
Operación embarcada
El sistema de recuperación era el elemento que permitía al Nutcracker operar desde cualquier tipo de embarcación, el mismo permitía la operaciones VTOL en mares condición 5 (vientos de 40 a 50 km/h y olas de hasta 4 mts). De acuerdo a fuentes de la empresa, las modelos fueron probados en el túnel de viento simulando las peores condiciones posibles y los resultados fueron sobresalientes.La aeronave se aproximaría al barco a una velocidad de 1,5 mts/s con una sonda en la nariz extendida; dicha sonda haría contacto con un receptáculo posición al final de un brazo telescópico a 6 mts sobre la cubierta del lado de estribor.
Por medio de esta sonda, la aeronave podría ser reabastecida de combustible, además de aterrizar, luego de tener el avión asegurado al brazo, una plataforma rotase elevaría hacia la aeronave y acompañaría a la parte trasera del fuselaje en su rotación hasta quedar paralelo a la cubierta.
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| Distintas etapas del vuelo de la aeronave, desde el despegue hasta el aterrizaje. La transición de vuelo horizontal a estacionario tomaría 50 segundos. Fuente: Popular Science, traducido por No Barrel Rolls |
El control de la aeronave se lograba por deflexiones simétricas y asimétricas de los planos de cola. Parte de las superficies verticales y horizontales se encontraban permanentemente dentro del flujo de aire de los motores, lo que los cargaba aerodinámicamente para mantener control de guiñada, alabeo y cabeceo durante todas las fases del vuelo, incluso en vuelo vertical.
Con la aeronave firmemente establecida en la plataforma, la aeronave sería descendida hasta la cubierta haciendo un giro de 270º. Como se ve en la secuencia de fotos de abajo, la aeronave era capaz de entrar en un hangar para helicópteros de una fragata FF 1052.
El programa de prueba completo contemplaba la modificación de dos OV-1, con tres pares de motores más el equipo de prueba necesario para realizar las evaluaciones. Valuado en U$S 44 millones; U$S 34 millones por los dos Mohawk y U$S 10 millones por el resto equipamiento asociado, que sería provisto por el gobierno (en valores modernos, el costo total del programa de prueba superaría los U$S 192 millones).
Modificar un OV-1 con el sistema, parecía bastante fácil, para empezar se conservaría la cabina, junto con la parte delantera del fuselaje, junto con la nariz, tren de aterrizaje, la deriva y los paneles exteriores de las alas. Los motores TF31 podrían ser obtenidos de los programas A-10 y SS-3 que en ese momento estaban en desarrollo.
Las partes a construir serían, los otros planos de cola, la parte trasera del fuselaje, el cono de cola y los montajes de los motores.
Por otro lado, las misiones que serían cumplidas por las aeronaves del Tipo C, fueron absorbidas por los helicópteros Sikorsky SH-60B Seahawk, resultado del programa LAMPS III (Light Airborne Multi-Purpose System), los cuales siguen en servicio hasta el día de hoy.
Con la aeronave firmemente establecida en la plataforma, la aeronave sería descendida hasta la cubierta haciendo un giro de 270º. Como se ve en la secuencia de fotos de abajo, la aeronave era capaz de entrar en un hangar para helicópteros de una fragata FF 1052.
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| Las superficies de cola ofrecían control absoluto sobre cada etapa del vuelo. Fuente: Aviation Week and Space Technology. |
La materialización del concepto
Grumman propuso a la Armada modificar uno de sus OV-1 Mohawk como prueba de concepto del sistema Nutcracker; el mismo estaría impulsado por una pareja de Allison T701 o dos GE TF34. Este testbed tendría un peso en vacío de 6,842 kg con una relación empuje/peso de 1,23:1 en condiciones meteorológicas normales.El programa de prueba completo contemplaba la modificación de dos OV-1, con tres pares de motores más el equipo de prueba necesario para realizar las evaluaciones. Valuado en U$S 44 millones; U$S 34 millones por los dos Mohawk y U$S 10 millones por el resto equipamiento asociado, que sería provisto por el gobierno (en valores modernos, el costo total del programa de prueba superaría los U$S 192 millones).
Modificar un OV-1 con el sistema, parecía bastante fácil, para empezar se conservaría la cabina, junto con la parte delantera del fuselaje, junto con la nariz, tren de aterrizaje, la deriva y los paneles exteriores de las alas. Los motores TF31 podrían ser obtenidos de los programas A-10 y SS-3 que en ese momento estaban en desarrollo.
Las partes a construir serían, los otros planos de cola, la parte trasera del fuselaje, el cono de cola y los montajes de los motores.
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| Antes de construir un testbed basado en el OV-1, Grumman estudio la factibilidad con modelos en túnel de viento. Fuente: Aviation Week and Space Technology. |
El abandono del proyecto
Impresionante como era, Nutcracker fue abandonado por varios motivos. Principalmente, gano la resistencia en el seno de la Armada al uso de embarcaciones menores y aquel plan delineado por Zumwalt y continuado por Holloway fue abandonado a finales de la década.Por otro lado, las misiones que serían cumplidas por las aeronaves del Tipo C, fueron absorbidas por los helicópteros Sikorsky SH-60B Seahawk, resultado del programa LAMPS III (Light Airborne Multi-Purpose System), los cuales siguen en servicio hasta el día de hoy.
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| 3 vistas del Nutcracker Tipo C, notar el armamento de misiles aire-aire en las punteras de las alas y los dos misiles Harpoon. Fuente: Aviation Week and Space Technology. |
De haber volado, un Nutcracker del Tipo C, pesando unos 9.766 kg tendría una autonomía de 185 km con un tiempo de espera de 2 horas a 3.000 mts de altura. La velocidad máxima sería de 926 km/h mientras que la de crucero estaría en el orden de 648 km/h a 10.688 mts; alcanzando un techo máximo de 12.200 mts.
Fuentes
- Robinson, C. A. Jr. (1976, Marzo 1). Navy Plans Emphasis on V/STOL. Aviation Week & Space Technology, Vol. 104 (9), p. 12 - 16
Disponible en: http://archive.aviationweek.com/issue/19760301#!&pid=12 - Robinson, C. A. Jr. (1976, Septiembre 20). Grumman VTOL Aimed at Small-Ship Use. Aviation Week & Space Technology, Vol. 105 (12), p. 15 - 20
Disponible en: http://archive.aviationweek.com/issue/19760920#!&pid=14 - Kocivar, B. (1976, Septiembre).Nutcracker VTOL folds in flight. Popular Science, Vol. 209 (3), p. 68 - 70, 148 - 150.
Disponible en: https://books.google.com.ar/books?id=GQEAAAAAMBAJ&lpg=PA68&dq=grumman%20nutcracker&pg=PA68#v=onepage&q&f=true
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