Colibrí a reacción. El avión VTOL Lockheed XV-4 Hummingbird

El primer prototipo del Hummingbird, 62-4503, durante un vuelo estacionario en una etapa temprana del programa de pruebas de vuelo. Notar la barra de metal que bloquea al tren de aterrizaje principal y la falta de la carlinga.
Fuente: Lockheed-Martin.

De todas las aves que existen, el colibrí se destaca por su particular "envolvente de vuelo" siendo capaz de permanecer suspendido en el aire e incluso volar hacia atrás; algo más parecido al vuelo de un insecto que un pájaro. Justamente fueron estas características de vuelo las que llevaron a Lockheed a bautizar a principios de los 60 a su nuevo avión VTOL en homenaje a esta ave.

Pero este avión provisto de un innovador sistema de propulsión, resultó no ser la maravilla que se esperaba siendo cancelado tras una serie de accidentes. Esta es la historia del Lockheed XV-4 Hummingbird.

A principios de los 50, la Aviación del Ejército de los EEUU tenía un requerimiento por una plataforma tripulada de vigilancia y adquisición de blancos con capacidad VTOL. Vale la pena recordar que en esta época, el Ejército tenía una pelea abierta con la USAF sobre el uso de cazas tácticos, como el FIAT G.91 o el Douglas Skyhawk. 

La tecnología VTOL generaba mucho interés en el Ejército ya que se veía como la solución técnica ideal para desplegar aeronaves desde bases de avanzada, directamente en la línea del frente en contacto directo con el enemigo.

Consciente de este contexto, Lockheed presentó su Model L-330 en agosto de 1959 el cual despertó el interés del USATRECOM (US Army Transportation Research Command), lo suficiente como para recibir un contrato para la construcción de dos prototipos del diseño denominado originalmente como VZ-10 en septiembre de 1961 por un valor de U$S 2.5 millones (casi U$S 27 millones actualmente), junto con los registros militares 62-4503 y 62-4504.

El diseño de Lockheed se sumaba así a la lista de proyectos VTOL que la aviación del Ejército estaba evaluando al mismo tiempo, como el Hawker Siddeley Kestrel (denominado XV-6A en EEUU) y el Ryan XV-5 Vertifan. Seguramente, lo que llamó la atención a los evaluadores del Ejército fue el sistema de propulsión propuesto por Lockheed denominado "Augmented Jet Ejector", un concepto en el que el fabricante venía trabajando desde 1954. 

En este innovador sistema de propulsión los gases de escape de los motores eran desviados hacia conductos a lo largo de la parte dorsal del fuselaje, desde donde se descargan hacia abajo a través de una serie de boquillas ubicadas longitudinalmente. Cada motor alimentaba bancos de boquillas alternados para evitar un efecto de empuje asimétrico. Dos pares de compuertas, ubicados en la parte dorsal y ventral del fuselaje se abrían para exponer las boquillas, donde el aire caliente proveniente de los motores se mezclaba e incrementaba induciendo un flujo de aire secundario proveniente del exterior en dos cámaras formadas por el espacio libre en el fuselaje. Durante el vuelo horizontal, las compuertas permaneces cerradas y los gases de escape de los motores se descargan por una tobera hacia atrás de forma normal.

Diagrama de los componentes principales del sistema "Augmented Jet Ejector" propuesto por Lockheed. Notar las derivaciones en la parte frontal y trasera hacia las boquillas de control.
Fuente: Hummingbird. A Promising Augmented-jet VTOL Aircraft.

Para la Aviación del Ejército resultaba muy interesado en explorar la viabilidad de este sistema de propulsión, por lo que esta sería su prioridad con en el programa. Adicionalmente, serían evaluados los requisitos de maniobrabilidad para aeronaves VTOL y llevar a cabo una evaluación casi operativa juzgando aspectos como simplicidad de mantenimiento, flexibilidad operativa y potenciales usos.

Tras recibir la autorización para comenzar los trabajos, el equipo de ingenieros de Lockheed dirigidos por Albert Mooney, debía entregar el primer ejemplar de VZ-10 el 2 de abril de 1962, con el primer vuelo convencional, previsto para el 1 de junio. El segundo avión debía ser entregado a los dos meses siguientes, empezando su propio programa de pruebas de vuelo el 15 de junio. Ambos aviones finalizarían sus pruebas de vuelo el 1 de septiembre de 1962.
(Nota del autor: Si el nombre Mooney le resulta conocido, querido lector, es porque se trata del fundador de Mooney Aircraft Corporation, empresa que vendió antes de unirse a Lockheed).

62-4503 realizando un despegue desde la base de Dobbins. La Aviación del Ejército estaba bastante interesada en el comportamiento y manejo de la aeronave durante la delicada transición del vuelo vertical al horizontal, siendo crucial para el éxito del programa realizar esta transición de manera exitosa.
Créditos de la imagen a quien corresponda.

"...the little bird"

A mediados de 1962, tuvo lugar el "roll out" oficial del primer VZ-10 (registro Ejército 62-4503) en la planta de Lockheed en Marietta, Georgia. Los asistentes al evento encontraron una aeronave de apariencia bastante convencional y algo regordeta; con planos de cola convencionales en forma de "T", alas rectas de implantación media y relativamente cortas. La cabina tenía espacio para acomodar un piloto y un observador sentados lado a lado en asientos eyectables que podían sacarlos de la aeronave hasta una velocidad máxima de 575 kn (972 km/h) en picado.

Tres celdas de combustible se ubicaban debajo de los conductos de las boquillas y entre las cámaras de mezcla de los eyectores. Un sistema de control de combustible automático mantenía el balance de la aeronave para evitar desplazamientos del centro de gravedad. Durante el vuelo VTOL, el control sería realizado descargando el escape de los motores por medio de boquillas ubicadas en la nariz, cola y extremos alares.

A ambos lados del fuselaje y por encima de las alas, se encontraban las barquillas que contenían los dos turborreactores Pratt & Whitney JT12A-3LH con un empuje máximo de 3,300 lbf (15 kN) cada uno. En las zonas sometidas a altas temperaturas se utilizaría acero inoxidable para su construcción.

La aeronave fue diseñada estructuralmente para cumplir con la Parte 3 del Reglamento de Aviación Civil (Categoría Acrobática), con un factor de carga límite positivo de 6.0 y un factor negativo de -3.0. Fue diseñada para soportar ráfagas de viento de 66 ft/sec (72 km/h) a velocidad máxima de crucero y de 50 ft/sec (55 km/h) a velocidad máxima en picado.

El tren de aterrizaje retráctil era del tipo triciclo, con dos posiciones para el tren de nariz. Esto se debía a la geometría del sistema de eyectores inclinado 12° con respecto a la vertical para optimizar la actitud de la aeronave durante la transición de vuelo vertical a horizontal. Durante su diseño, Lockheed consideró que, sin la extensión del tren de nariz, el empuje de los eyectores  aceleraría la aeronave hacia adelante justo antes del despegue.

Durante los primeros rodajes en tierra se encontraron varios problemas, especialmente el excesivo radio de giro del tren de nariz que dificultaba las maniobras en tierra y una débil capacidad de frenado lo que obligó a realizar modificaciones antes de poder realizar rodajes a velocidades mayores.

Tal como estaba previsto, el primer vuelo convencional tuvo lugar en la Base Aérea de Dobbins en Marietta, el 7 de julio de 1962 a manos del piloto de pruebas de Lockheed, Leo Sullivan. Durante este vuelo se observó que la aeronave tendía a cabecear con la nariz hacia abajo, por lo que se debió revisar el balance de los elevadores. 

En el segundo vuelo, el piloto retrajo el tren de aterrizaje por primera vez. Sin embargo, los flaps se replegaron tan rápido que generaron una breve inestabilidad lateral, la cual requirió de ajustes en el sistema hidráulico para su solución. A pesar de estas dificultades, los pilotos de prueba quedaron muy impresionados con las características de vuelo del avión.

Para agosto de 1962, se habían completado ocho vuelos convencionales con una duración total de cuatro horas y cinco minutos. Lockheed entregó el prototipo al Ejército sin el sistema de vuelo VTOL el cual era probado en las instalaciones del fabricante. A pesar de que los ingenieros habían realizado pruebas utilizando un sistema a escala, las cuales habían resultado prometedoras; el sistema a escala natural presentaba ciertos problemas y generaba un empuje insuficiente que requirió el rediseño de las boquillas.

Representación artística del XV-4A operando en una zona montañosa con nieve. El vuelo VTOL ofrecía capacidades y una flexibilidad operativa que no podía ser comparada con las aeronaves que tenía el Ejército en inventario a principios de los 60.
Créditos de la imagen a quien corresponda. Coloreada y retocada digitalmente por No Barrel Rolls.

Tras esta pausa forzada, los vuelos de prueba continuaron. Finalmente, el 28 de mayo de 1963 el piloto de pruebas de Lockheed, Glen Gray, completó su primer vuelo estacionario con el avión atado al piso por seguridad. Casi seis meses después, el 20 de noviembre de 1963, tuvo lugar el primer despegue vertical seguido de una transición al vuelo horizontal. 

Esto era un proceso complicado que se realizaba en varias etapas. Empezaba con el avión en tierra y el piloto extendiendo el tren de nariz, al mismo tiempo que abría las compuertas de los inyectores; con la válvula de derivación de las toberas de los motores cerradas. Al aplicar potencia, el flujo de las boquillas generaba el colchón de aire suficiente para despegar el avión del suelo.

Tras alcanzar la altitud requerida, el piloto bajaba la nariz lo que generaba un desplazamiento horizontal, generando un flujo de aire sobre las alas. A unos 80 kn (150 km/h), la nariz se subía para lograr un ángulo de ataque positivo para las alas al mismo tiempo que fijaba uno de los motores a vuelo horizontal manteniendo el otro alimentado a las boquillas. Un sistema de control de capa límite (Boundary Layer Control, o BLC por sus siglas en inglés) evitaba la entrada en pérdida del estabilizador horizontal.

Al alcanzar los 119 kn (220 km/h), las alas generaban suficiente sustentación para sostener el avión en el aire, por lo que el segundo motor podía ser conmutado a vuelo horizontal y las cubiertas de las boquillas cerradas. 

Un colibrí obeso

"Si se accionan los mandos de gases, no se duda ni por un instante de que el pequeño pájaro es capaz de salir corriendo en cualquier dirección". Así definía Gray su avión, honrando el "hummingbird" de su denominación, pero lo cierto es que el empuje generado por el sistema VTOL era insuficiente. 

Originalmente diseñado para obtener una relación de empuje/peso de 1.16, calculada a partir de un empuje en modo VTOL de 8,375 lb (3,799 kg) y un peso bruto VTOL de 7,200 lb (3,266 kg). No obstante, los ingenieros predijeron que en condiciones reales ocurriría un fenómeno llamado "suckdown" que generaría presión negativa bajo el avión, lo cual reduciría esta relación a 1.10. En las pruebas de vuelo reales, el empuje fue menor de lo esperado, alcanzando solo 7,800 lb (3,538 kg). Esto resultó en una relación de empuje/peso de 1.08, limitando la capacidad de elevación de la aeronave.

Para poder realizar despegues verticales, fue necesario reducir significativamente la carga de combustible, lo que bajó la relación a un nivel de aproximadamente 1.00. Incluso con despegues cortos, esta relación solo alcanzaba un 1.03. Como resultado, durante las pruebas de transición a vuelo horizontal se realizaron con una relación de 1.04, una cifra marginal que garantizaba un escaso margen de seguridad.

Básicamente, el control vertical era "inexistente". El avión permanecía en la pista con sus motores a máxima potencia hasta que se quemara una cantidad de combustible importante hasta que estuviese lo suficientemente liviano como para que sus motores lo pudiesen poner el aire.

A pesar de los problemas encontrados durante el vuelo vertical, el XV-4A tenía características de vuelo horizontales bastante aceptables, reconocido incluso por sus propios pilotos.
Créditos de la imagen a quien corresponda.

Además, los pilotos notaron que el avión tendía a dar "saltos de rana" cuando comenzaba a desplazarse horizontalmente, tocando brevemente la pista e inmediatamente volviendo a despegar al aumentar la velocidad horizontal. Convencidos de que estos problemas podrían llegar a ser solucionados, tanto Lockheed como el Ejército siguieron adelante con el programa de pruebas cambiando la designación de la aeronave XV-4. 

Pero la tragedia golpeó al proyecto. El 10 de junio de 1964, 62-4503 se estrelló en las inmediaciones de la base Dobbins mientras traicionaba al vuelo vertical perdiendo la vida el piloto civil William Ingram contratado por la Secretaría del Ejército expresamente para el programa. Al momento del accidente, el avión había acumulado 82 vuelos estacionarios, totalizando 8.5 horas de vuelo con siete transiciones a vuelo horizontal exitosas. 

El Ejército suspendió inmediatamente las pruebas de vuelo, lo que supuso un verdadero golpe para Lockheed, que ya contemplaba una variante de producción en serie equipada con una bodega ventral intercambiable que podía incorporar una suite de aviónica avanzada, desde sistemas de reconocimiento ópticos e infrarrojos hasta radares de barrido lateral e incluso sensores capaces de detectar la contaminación del aire y del suelo tras una explosión nuclear.

Lockheed prometió revisar el sistema de propulsión e instalar todas las mejoras en el segundo XV-4, peor la Aviación del Ejército ya había tenido suficiente y canceló el programa a finales de 1964. 62-4504 fue almacenado, parcialmente terminado mientras Lockheed decidía que hacer con el.

Un nuevo mecenas

Claramente, el "Augmented Jet Ejector" había resultado en un rotundo fracaso. Mientras los ingenieros, y especialmente el departamento de comercialización, buscaban que hacer con el hummingbird restante; la USAF llegó para darles una mano.

El Air Force Flight Dynamics Laboratory (AFFDL por sus siglas en inglés) se encontraba trabajando en un programa de investigación llamado VTOL Integrated Flight Control System (Sistema Integrado de Control de Vuelo VTOL, o VIFCS por sus siglas en inglés). Este programa tenía como objetivo establecer un marco común para establecer las características de vuelo de las aeronaves VTOL, junto con los parámetros para el diseño de sus sistemas de control. 

En 1965 la USAF estaba lista para pasar de la teoría a la práctica con el VIFCS y necesitaba una célula para pruebas de vuelo, por lo que contactó a Lockheed sobre la factibilidad de convertir al XV-4 restante a sus requerimientos. Al contrario que la Aviación del Ejército, la USAF necesitaba una aeronave que utilizara una serie de motores de sustentación en el dorso, junto con un novedoso sistema de control llamado Variable Stability System (Sistema de Estabilidad Variable, o VSS por sus siglas en inglés). El programa también buscaba una performance constante en todas las fases de vuelo, grados de control y una relación empuje/peso constante.

Inmediatamente Lockheed comenzó a trabajar con el AFFDL para modificar al 62-4504 a los nuevos requerimientos y en septiembre de 1966 recibió el contrato formal para convertirlo al estándar XV-4B. Del avión original solo se reutilizó una parte del fuselaje trasero y del empenaje mientras el resto de la célula fue completamente rediseñada y fabricada desde cero. A pesar de ello, se trato de mantener una configuración aerodinámica muy similar a la del XV-4A para evitar efectos desconocidos en el comportamiento de vuelo convencional y aprovechar al máximo los componentes estructurales ya existentes.

Tras la cancelación del programa por parte del Ejército, la USAF rescató a 62-4504 del abandono modificándolo  al estándar XV-4B para ser usado en el programa VIFCS.
Créditos de la imagen a quien corresponda. Coloreada y retocada digitalmente por No Barrel Rolls.

Entre las novedades del XV-4B se encuentra una batería de cuatro motores General Electric J85 instalados en el dorso que proveerían la sustentación durante el vuelo vertical. La toma de aire de los mismos no tenía ningún tipo de cubierta, mientras que unas compuertas ubicadas en la parte inferior cubrían sus toberas. Los JT12A fueron reemplazados por sendos J85 como motores de crucero y sus gondolas fueron movidas hacia adelante. También se ampliaron los carenados en las puntas de las alas para alojar las válvulas del sistema VSS, de igual manera se reemplazaron las que se encontraban en los extremos de la nariz y cola de la aeronave para adaptarse al nuevo sistema de control.

Además, el XV-4B incorporó un sistema de control de vuelo fly-by-wire. En comparación, el XV-4A utilizaba controles convencionales con chorros de aire para el vuelo VTOL, apoyados por un sistema de aumento de estabilidad. El sistema del XV-4B era híbrido: combinaba el fly-by-wire con un sistema mecánico convencional como respaldo.

La aeronave voló por primera vez en esta nueva configuración el 28 de septiembre de 1968 desde Dobbins. Este primer vuelo totalmente convencional terminó sin ninguna novedad y sería el primero de un programa de 50 horas.

En los sucesivos vuelos, los problemas comenzaron a surgir. Para empezar, los motores eran propensos a sufrir pérdidas a alta velocidad de giro producto de la reingestión de gases calientes lo que afectaba su performance. Si bien se tomaron algunas medidas correctivas, los problemas de reingestión nunca desaparecieron del todo. 

La proximidad de los neumáticos del tren de aterrizaje principal a los escapes de los motores de sustentación provocaba temperaturas extremadamente altas de hasta 232 °C. Se instalaron protectores para los neumáticos y una estructura aislante para mitigar el problema, pero nunca se pudo evaluar correctamente la efectividad de estas modificaciones. Quedó claro que esto sería una limitación para futuros diseños, y se recomendó que las operaciones VTOL a nivel del suelo probablemente requerirían plataformas especiales para disipar los gases calientes.

El sistema de control  fly-by-wire resultó ser impreciso y propenso a fallos requiriendo ser rediseñado, lo mismo que los ductos y válvulas del VSS los cuales presentaron grietas y fallas por lo que también debió ser rediseñado.

Finalmente estaba el tema de las vibraciones y ruido. Como puede imaginarse, querido lector, una aeronave 9.96 m de largo con seis motores no es el entorno de trabajo más tranquilo que exista, pero tanto Lockheed como la USAF consideraron que esto podía llegar a ser mitigado con revisiones periódicas y medidas de protección adicionales para los pilotos. 

Para el 14 de marzo de 1969, el XV-4B había completado 23 de los 95 vuelos previstos, acumulando casi 17 horas en el aire. A pesar de los problemas de desarrollo, las pruebas indicaron que la aeronave "debería haber cumplido con sus objetivos de diseño y con todos los requisitos de las especificaciones", y que el grado de control y la relación empuje/peso habían superado los valores de diseño.

Sin embargo, el programa finalizó abruptamente el 14 de marzo de 1969, cuando el XV-4B se perdió durante un vuelo de prueba rutinario cerca de Dobbins. El piloto de pruebas Harlan Quamme se eyectó sin problemas, resultando ileso aunque con un importante corte en su bota izquierda, probablemente por golpear la estructura de la carlinga durante la eyección. 

Con los restos del XV-4B aún humeando en tierra, la USAF optó por no continuar con el programa VIFCS, que fue cancelado. Resulta irónico que el avión nunca logró igualar la agilidad ni la gracia del ave que inspiró su nombre. Y, como si se tratara de una coincidencia poética, su vida útil fue tan breve como la del colibrí. 

Corte y vistas del XV-4B. Notar la ubicación de los motores de sustentación en el espacio antes ocupado por el sistema "Augmented Jet Ejector". La destrucción de la aeronave en un accidente impidió evaluar esta nueva configuración a fondo.
Fuente: The Hummingbird XV-4B VTOL Research Aircraft Program. (AFFDL-TR-69-75)

Características técnicas (VX-4A):

• Tripulación: 2
• Longitud: 9.96 m
• Envergadura: 7.82 m
• Alto: 3.58 m
• Superficie alar: 9.66 m²
• Peso vacío: 4,995 lb (2,266 kg)
• Peso bruto al despegue: 7,200 lb (3,266 kg)
• Planta motriz: 2x turborreactores Pratt & Whitney JT12A-3LH con una potencia máxima unitaria de 3,300 lbf (15 kN).

Rendimiento

• Velocidad máxima: 450 kn (833 km/h) a 10,000 ft (3,048 m)
• Velocidad crucero: 339 kn (628 km/h)
• Radio de acción: 521 nmi (965 km)
• Tasa de ascenso: 12,000 ft/min (61 m/s)

Fuentes:

• Gibson, E. B. y Sutton, J. F. (Abril 5, 1962). Hummingbird. A Promising Augmented-jet VTOL Aircraft. Flight International. Vol.?(?). p. 501 a 503.
  Disponible en: https://web.archive.org/web/20151005172050/https://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1962/1962%20-%200512.html
• Nicholson. R. y Lowry, R. B. XV-4A Research Aircraft Program. (USAAVLABS Tecnical Report 66-45). Virginia, EEUU: US Army Aviation Materiel Laboratories, 1966.
  Disponible en: https://archive.org/details/DTIC_AD0635106/mode/1up?q=Lockheed+Hummingbird
• Air Force Flight Dynamics Laboratory. The Hummingbird XV-4B VTOL Research Aircraft Program. (AFFDL-TR-69-75). Ohio, EEUU: Air Force Systems Command, 1969.
  Disponible en: https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/AD0700436.pdf
• Francillon, R. Lockheed Aircraft since 1913. Londres, Reino Unido: Putnam & Company, 1988.
  
• Millot, B. Les Avions Lockheed (Collection Docavia #29). Paris, Francia: Editions Lariviere, 1989.
  
• Harding, S. U.S. Army Aircraft Since 1947. An Illustrated Directory. Minnesota, EEUU: Specialty Press, 1990.
• Redacción. (Junio, 2012). Lockheed XV-4 Hummingbird. Klassiker der Luftfahrt. Vo.?(?).
  Disponible en: https://web.archive.org/web/20140702122615/http://www.klassiker-der-luftfahrt.de/geschichte/flugzeuge/lockheed-xv-4-hummingbird/577244