Titán de Titanio, el Republic XF-103 Thunderwarrior - Parte I

Ilustración artistica del XF-103, mostrando el detalle de la ubicación de las bodegas de armas y la cabina de vuelo. Estos elementos del diseño serán revisados varias veces durante el desarrollo.
Fuente: Gerald Balzer vía Mark Nankivil.

Como misión, la intercepción, es un asunto bastante sencillo. Simplemente, asígnale al caza defensor un vector que lo lleve directamente hacia los aviones enemigos hasta que los mismos estén en alcance de sus armas. Esta fórmula se complicó con la llegada de la década del 50 y su obsesión "supersónica", que sería determinante para las doctrinas operativas y diseños aeronáuticos de esa época.

Pero cuando se anticipaba que la URSS adoptaría bombarderos estratégicos capaces de ingresar al espacio aéreo estadounidense a velocidad por encima de Mach 1, a la USAF no le quedó otra opción que contrarrestarlos con un interceptor capaz de volar por encima de Mach 3. Esta es la historia de uno de los diseños más interesantes de los 50, el Republic XF-103 Thunderwarrior.

Todo empezó en 1949, poco después de que la USAF se convirtiera en un arma independiente. Internamente, el arma se organizó en varios comandos dando origen al Tactical Air Command (TAC) y el Air Defense Command (ADC) los cuales debían ser equipados con cazas. TAC tendría bajo su responsabilidad las misiones ofensivas, por lo que necesitaba cazas capaces de escoltar a los aviones de ataque dentro de territorio enemigo. Por otra parte, el ADC era netamente responsable por la defensa del espacio aéreo de los EEUU, especialmente de los bombarderos de largo alcance.
Esta diferencia en misión y doctrina haría que los requisitos de diseño entre ambos comandos comenzaran a divergir.

En ese momento, había varios cazas interceptores en desarrollo, pero estos eran desarrollos de cazas subsónicos como el el F-86D (conocido como "Sabre Dog") o el F-94 Starfire (desarrollado a partir del P-80 Shooting Star ); por lo que el ADC los veía como incapaces de interceptar a los bombarderos supersónicos que se sabía estaban bajo desarrollo en la URSS.

Esto dio origen al WS-201A, un proyecto de desarrollo que sería conocido como "the 1954 Interceptor", ya que su objetivo era desarrollar un nuevo tipo de interceptor monoplaza capaz de atacar blancos volando a velocidades supersónicas, equipado con un radar de avanzada y armado con un nuevo tipo de misil aire-aire con el objetivo de que ingresara el servicio de primera línea en 1954.

La USAF era consciente de que estaba pidiendo muchas tecnologías nuevas adentrándose en un territorio desconocido desde el punto de vista técnico. De más está decir que para que todo el diseño funcionase, estos componentes debían integrarse de manera perfecta por lo que no se podría seguir el principio de desarrollo tradicional que había funcionado hasta ese momento.

Tres interceptores Lockheed F-94C Starfire de la USAF (registros 51-5642, 50-1063 y 51-5549) del 354.º Escuadrón de Cazas Interceptores con asiento en la Base Aérea de Oxnard, California, volando en formación en 1956.
Fuente: United States Air Force vía Wikimedia Commons.

Anteriormente, los elementos constituyentes de una aeronave, como su célula, motor y armamento eran bastante comunes, en cuanto a su tamaño y performance, por lo que era relativamente fácil modificar diseños actuales sustituyendo uno por otro. Pero el diseño previsto por el WS-201A esto no iba a ser posible, ya que todo sería "cutting edge" y radicalmente diferentes con los anteriores diseños y entre los diferentes oferentes. Para hacer frente a este problema, la USAF introdujo el concepto de "Weapon System", algo que hoy nos resulta familiar, pero para 1950 era tan de avanzada como el caza que se pretendía desarrollar.  

De esta manera, el contratista principal (o "prime contractor" en inglés) era el responsable por entregarle al estado un avión completo, es decir totalmente funcional y con sus componentes plenamente integrados. Sin embargo, el estado (o la USAF en este caso) se reservaba el derecho a asignar contratos independientes a cada contratista para la provisión de los diferentes componentes del sistema de armas. 

WS-201A sería el primer programa realizado bajo esta modalidad y la USAF comenzó a llamar a licitación y otorgar contratos por la aviónica, misiles; y por último, la aeronave y el motor a medida que la documentación técnica era terminada.

Es así que para enero de 1950 se licitó el contrato MX-1179 para la provisión del radar la cual fue ganada por Hughes en julio de 1950, con su diseño que más tarde se convertiría en el futuro MA-1. Este contrato originalmente especifica que el diseño de radar elegido "dirigiría algún tipo de misil guiado aire-aire"; pero Hughes ya había ganado el MX-904 para el misil GAR-1 Falcon por lo que esta frase fue eliminada. La combinación del MA-1/GAR-1 fue seleccionada debido a que era la única que prometía estar lista para la fecha límite de 1954.

Vale la pena notar que la diferencia de criterios entre la ADC y la TAC se extendía a la selección de los misiles. Mientras que la ADC prefería el Falcon, la TAC se inclinaba por los AIM-9 Sidewinder y AIM-7 Sparrow, desarrollados originalmente para la Armada.

Quedaba pendiente la licitación por la aeronave y el motor, la cual sería cubierta por el contrato MX-1554 del 18 de junio de 1950, dándole a los oferentes hasta enero de 1951 para presentar sus ofertas.
Este contrato establecía que el ganador del contrato por la aeronave, sería el contratista principal y responsable final por la integración de todos los componentes en el sistema de armas.

Nueve ofertas fueron presentadas: Republic Aircraft presentó tres diseños, North American dos, mientras que Chance-Vought, Convair, Douglas y Lockheed presentaron un diseño cada una. El 2 de julio de 1951, la USAF anunció que Convair, Lockheed y Republic fueron seleccionadas como finalistas y autorizadas a avanzar con la construcción de una maqueta a escala natural. 

Poco después, la USAF reconoció la necesidad de un caza diurno para contrarrestar a los nuevos MiG-15 que se estaban encontrando sobre los cielos de Corea, superando a los P-80 y F-84 Thunderjet. Si bien el F-86 Sabre era un hueso duro de roer para los pilotos norcoreanos y soviéticos (al punto que estos último intentaron copiarlo), era claro que la ventaja no se mantendría mucho tiempo más.
En una decisión pragmática, se decidió reorientar la propuesta de Lockheed hacía este requerimiento, evolucionando en el F-104 Starfighter, dejando solamente a Convair y Republic para batirse por el MX-1554.

Propuesta original de Republic, bajo la denominación AP-57. Notar ciertos elementos como la planta motriz y la configuración general de la aeronave serán mantenidas a lo largo del todo el desarrollo.
Fuente: Standard Aircraft Characteristics, Republic AP-57.

La experiencia previa de Republic en el XF-91 Thunderceptor resultó muy valiosa para la empresa y de los tres diseños presentados, la USAF quedó impresionada con el denominado AP-57 el cual estaría construido integralmente en aleaciones de titanio y prometía una performance de Mach 4 a 80,000 ft (24,384 m). Sin embargo, había dudas sobre si el fabricante podría cumplir con el fecha de entrada en servicio de 1954, por lo que se declaró ganador a Convair el 11 de septiembre de 1951 sin esperar a la construcción de los mockups. Basado en el anterior XF-92, el diseño de Convair evolucionara en el futuro F-102.

Lejos de perder, la USAF veía potencial en el diseño futurista de Republic por lo que se le otorgó un contrato suplementario de desarrollo de Fase I (bajo la denominación WS-204A) para que continuase trabajando en su aeronave, la cual sería denominada XF-103.

Dos motores por el precio de uno

El equipo de desarrollo del XF-103 estaba encabezado por su Diseñador en Jefe, el legendario Alexander Kartveli, padre del P-47 Thunderbolt, F-84 Thunderjet y del F-84F Thunderstreak. Siempre innovador, Kartveli se encontraba trabajando en un avión de reconocimiento y velocidad Mach 3 denominado internamente AP-44A desde principios de 1948 ¡Menos de un año después de que Chuck Yeager rompiera la barrera del sonido!

Esta manera avanzada de pensar se podía ver en todo el XF-103, pero nada es más futurista que el sistema de propulsión de doble ciclo elegido, basada en el Wright XJ67-W-1, sería desarrollada bajo el contrato MX-1787.

Maqueta en escala natural del sistema de propulsión de doble ciclo. Notar la tobera de dos dimensiones y la ubicación del XJ67-W-1 ligeramente por debajo del XRJ55-W-1.
Fuente: USAF vía Air Force Life Cycle Management Center.

Para los años 50, alcanzar la velocidad supersónica era toda una proeza, pero alcanzar velocidades de Mach 3 y sostenerlas era muy difícil. Al hecho de que estos primeros motores a reacción tenían bajo empuje, hay que sumarle que para su correcto funcionamiento el aire que llega al compresor debe ser subsónico. 

Cuando un avión vuela en régimen supersónico, el aire se desacelera a velocidad subsónica utilizando difusores en las tomas de aire y en la propia geometría del canal de admisión. La energía que se pierde en este proceso calienta el aire, lo que significa que el motor tiene que funcionar a temperaturas cada vez más altas para proporcionar el empuje neto requerido, limitada únicamente por la temperatura de trabajo los materiales utilizados para la construcción de los mismos, en particular, los álabes de la turbina detrás de las cámaras de combustión. Con los materiales disponibles en esa época, era difícil alcanzar velocidades mucho más allá de Mach 2.5.

Sin embargo había un tipo de motor que podía superar este limite, el estatorreactor o ramjet. Su diseño es bastante sencillo, ya que consiste principalmente en un tubo grande que converge hacia una cámara de combustión, para luego divergir en una tobera careciendo totalmente de partes móviles. La velocidad del aire, actuando junto a la geometría del tubo hacen que el mismo se comprima, caliente y se inflame gracias al combustible; para luego disiparse por la tobera generando empuje.

La buena noticia es que el ramjet opera de manera eficiente entre el rango de velocidad de Mach 3 a 6; la mala es que su consumo específico de combustible es terriblemente alto, por lo que su eficiencia es muy pobre. El otro problema es que para funcionar, el estatorreactor requiere que la velocidad de vuelo sea de al menos, Mach 1. 

Es aquí donde brilló el genio de Kartveli al combinar lo mejor de ambos motores, la eficiencia de combustible del turborreactor, con el la eficiencia operativa por encima de Mach 3 del ramjet.  El XJ67-W-1, en si una versión bajo licencia del Bristol Olympus estaba dotado de un postquemador, aunque no en el sentido tradicional, ya que este era una unidad separada (y eventualmente denominada XRJ55-W-1 y producida por la misma Wright) e instalada unos metros detrás del turborreactor.

Durante el vuelo, el XRJ55 podía ser utilizado como un postquemador tradicional, recibiendo el gas caliente del J67 e inyectándole combustible obteniendo un empuje total de 40.000 lbf (180 kN). Pero también podía ser utilizado como un ramjet tras apagar el turborreactor y redirigiendo el aire de la admisión por medio de unas rampas directamente hacia el XRJ55.

Esquema del ciclo de operación de la planta motriz combinada, bajo el contrato MX-1787. (a) Turbojet, (b) Turbojet con postquemador y (c) estatorreactor.
Fuente: The Trisonic Titanium Republic.

Esta aproximación novedosa sobre el sistema de propulsión eliminaba las limitaciones del J67, ya que la primera etapa de la turbina estaba limitada a una temperatura máxima de 1,500 ºF (815.55º C), justo por debajo de Mach 3. Esta planta motriz de doble ciclo solucionaba este problema al eliminar el J67 de la planta motriz a altas velocidades.

Una entrada de aire ventral, tipo Ferri, alimentaba a ambos motores. De forma triangular con un borde prominente y que proyectaba su labio hacia adelante, una configuración que Kartveli utilizará unos años más tarde para las entradas de aire en la raíz alar del F-105 Thunderchief.

Al filo de la navaja

El fuselaje era completamente liso y cilíndrico, casi como un lápiz, con una alta relación de finura para lograr una baja resistencia a velocidades supersónicas. Hay que tener en cuenta que el diseño se desarrolló antes del descubrimiento de la regla del área, por lo que carece de la típica "cintura de avispa" de los aviones de esta época. De perfil principalmente cilíndrico, fusionándose con la entrada de aire comenzando alrededor de la raíz del ala, lo que le daba un perfil rectangular en la mitad de su longitud, antes de volver a una forma puramente cilíndrica en la tobera del motor.

Para soportar las altas temperaturas, Republic evaluó diversos tipos de materiales; siendo el XF-103 el pionero en la investigación del uso de aleaciones de titanio, allanando el camino para los posteriores Lockheed Blackbird y el North American XB-70. 
Cuatro tipos de construcción fueron evaluados: Totalmente construido en la aleación de titanio (Ti-150B), totalmente en acero 4130 (acero al cromo molibdeno), una combinación de la célula en acero 4130 y el revestimiento en paneles de Ti-150B y finalmente utilizar únicamente aluminio aeronáutico  (24S-T86).

Se descubrió que la estructura de aluminio estaría limitada a Mach 2.75 (equivalente a una temperatura superficial de 375º F o 190.55ºC) además de ser la más pesada con 10,250 lb (4,649 kg) por lo que fue rápidamente descartada. Sin ser una gran sorpresa, la estructura totalmente de titanio resultó la más ligera con 8,750 lb (3,969 kg), seguida muy de cerca por la combinada con acero con 9,400 lb (4,263 kg). Finalmente, la construcción totalmente en acero demostró ser apenas 100 lb (45 kg) más ligera que aquella integralmente de aluminio. 
Quedó claro que las estructuras enteramente de titanio o enteramente de acero eran las únicas capaz de resistir Mach 3 de manera sostenida.

Dos vistas de la primera revisión del diseño del XF-103. Notar la tobera convencional, la cual será abandonada, la cabina elevada y la bodega de armas por encima de la toma de aire.
Créditos de la imagen a quien corresponda.

Todas las superficies de control eran deltas. El ala tenía barrido de 55º y podía rotar alrededor del larguero principal para variar su incidencia. Durante el despegue y el aterrizaje, el ala se pivotaba hacia arriba para aumentar el ángulo de incidencia mientras el fuselaje permanecía casi horizontal, esta solución se adoptó ya que la longitud del fuselaje hacía muy difícil lograr lo mismo cambiando la actitud del fuselaje, requiriendo un tren de aterrizaje de mayor longitud para ello.

Otra ventaja de este sistema, era que mantener el fuselaje paralelo al flujo de aire durante el vuelo en un amplio regimen de velocidades, con tan solo variar el ángulo de incidencia de las alas; disminuyendo a su vez, la resistencia aerodinámica lo que redundaba en una mejora en el alcance.

El ala presentaba una división a los dos tercios de su envergadura, permitiendo que esta parte pudiese rotar independientemente del resto del ala; actuando como grandes alerones, o "tiperons" como los llamaba Republic. Adicionalmente, el ala contaba con flaps convencionales que recorrían el borde de fuga desde el fuselaje hasta los tiperons. 

Concepto original de la cabina de vuelo del XF-103. Se puede ver la disposición del parabrisas y la cápsula de escape para el piloto. 
Créditos de la imagen a quien corresponda.

A 1/3 de la distancia desde la raíz alar, se encontraba un punto de armas para tanques de combustible auxiliares. Una característica de ellos, que será heredada por el F-105, es que los pilones eran integrales a los tanques, desprendiéndose todo el conjunto cuando se agotaban el tanque de combustible.

Los planos de cola, también deltas, eran bastante convencionales con los planos de profundidad de implantación baja. Una aleta ventral complementaba la deriva para garantizar la estabilidad a alta velocidad; aunque por su longitud se plegaba hacía un lado durante el despegue y el aterrizaje para evitar que golpeara el suelo.

Dos frenos de aire tipo pétalo estaban montados directamente detrás de las superficies horizontales, cubriendo la tobera, los cuales se abrían hacia afuera y hacia arriba en un ángulo de aproximadamente 45° en el espacio entre los planos horizontales y la deriva. 

La nariz de la aeronave estaba dominada por el radar MA-1, una maravilla de la electrónica de los años 50 con un alcance de detección de 20 nmi (37 km) y un peso de 2,520 lb (1,145 kg); estaba compuesto por 200 módulos diferentes y 3 km de cableado. 

Entre sus funciones, tenía un sistema de datalink con las estaciones de radar terrestres SAGE, que no solo recibía la ubicación de los blancos, si no que también era capaz de guiar la aeronave de manera automática hasta su objetivo. Tan avanzado era este equipo que el posterior Convair F-106, utilizará el AN/ASQ-25 FCS, un derivado del MA-1.

Modelo de túnel de viento del avión con la cabina convencional. 
Fuente: Republic Aviation vía Tony Landis Collection.

Una vez que el blanco estaba identificado y en la mira, el piloto del XF-103 procedería a su derribo utilizando los misiles GAR-1 Falcon. Cuatro estarían ubicados de a pares a los lados del fuselaje detrás de la cabina, abriéndose hacia arriba.

Otros dos Falcon estarían instalados en un compartimiento retráctil inferior, junto con una batería de 36 cohetes FFAR "Mighty Mouse" de 2.75" ubicados más arriba. Es muy posible que la dotación de misiles Falcon estuviese dividida entre guiados por radar y de guía infrarroja. 

La USAF siempre mostró sus dudas sobre la instalación de los Falcon de la bodega de armas inferior y del uso de los cohetes, temiendo que los gases de los motores cohete fuese ingresase al motor.

Mirando al mundo por un periscopio

Reducir al máximo la superficie del avión expuesta a la corriente de aire era fundamental para hacer al XF-103 lo más aerodinámico posible, ya que al reducir la superficie de la aeronave expuesta también se reduce la subida de temperatura producto de la fricción de la corriente del aire contra el recubrimiento del fuselaje.

Kartveli propuso una pequeña cabina que apenas sobresalía de la línea dorsal del fuselaje, compuesta por un parabrisas formados por dos paneles de vidrio en "V" y dos ventanas laterales; otorgándole al piloto un campo de visión, hacía adelante y a los lados, aceptable. 

Si en este punto se está preguntando, querido lector, cómo sería abandonar una aeronave que vuela a Mach 4 y a 80,000 ft, la respuesta corta sería: "letal". Pero, los ingenieros de Republic habían anticipado eso y dotaron al cockpit de un sistema de escape bastante ingenioso.

Para abordar el XF-103, el asiento del piloto descendía hasta el nivel del suelo ubicado dentro de una cápsula que contenía los controles de vuelo, los instrumentos de vuelo básicos y un panel móvil en el frente que normalmente se encontraba ubicado en el área frente a las piernas del piloto. En caso de despresurización, el escudo se deslizaba hacia arriba, sellando la cápsula la cual era inmediatamente presurizada. 

Tras ello, la cápsula era eyectada hacia abajo junto con unas secciones del fuselaje que proporcionaba una forma aerodinámica estable y tras alcanzar la altitud y velocidades correctas, el paracaídas se desplegaba para descender de forma segura.

Video promocional donde se muestra el funcionamiento de la cápsula de escape del XF-103. Una maqueta a escala natural fue lanzada desde un B-47 sobre la Base Edwards.
Fuente: The Film Gate via Youtube.

El 2 de marzo de 1953 una maqueta a escala natural construida en metal fue inspeccionada, recibiendo el visto bueno de la USAF por lo que Republic recibió un extensión de 18 meses de su contrato de Fase I, para que realizaran estudios adicionales en los materiales de construcción, el sistema hidráulico apto para operar a altas temperaturas, la cápsula de escape y la utilización de un periscopio para la visión del piloto.

Lo que sucede es que la USAF no estaba convencida de la carlinga y solicitó a Kartveli que implementara este elemento, que ya había sido usado en el Avro 730. El ingeniero no estaba muy convencido, pero tuvo que acceder a las demandas de su cliente, aunque siempre insistiendo que las ventajas en performance serían mínimas.

Después de esta primera inspección el diseño del XF-103 seguirá evolucionando hasta adoptar su forma final. Pero eso será el tema del siguiente posteo.

Maqueta a escala natural del XF-103 en las fases finales de construcción. La aeronave aún conserva la cabina convencional.
Créditos de la imagen a quien corresponda.