Hacia un mejor Harrier, el caza V/STOL McDonnell Douglas Model 279-3

Ilustración artística del McDonnell Douglas Model 279-3 armado con una pesada combinación de misiles.
Fuente: Greater St. Louis Air & Space Museum Archives.

Gracias a la cooperación con la británica Hawker Siddeley, McDonnell Douglas (McAir) abrió su propia línea de producción del Harrier, ubicándose así en la vanguardia de la tecnología V/STOL entre los fabricantes estadounidenses. Tras si introducción al servicio activo con los escuadrones del USMC a principios de los 80, el "jump jet" abrió un nuevo abanico de posibilidades tácticas y operativas.

Sin embargo, casi al mismo momento que los Marines comenzaban a volar sus nuevos aviones, la Armada en asociación con la NASA comenzó a pensar como podría ser la siguiente generación de cazas de despegue y aterrizaje vertical. McAir, se unió a este proyecto con un diseño singular que capitalizaba en su experiencia con el AV-8B. Esta es la historia del McDonnell Douglas Model 279-3.

La búsqueda de aeronaves VTOL en los EEUU se disparó después de la Segunda Guerra Mundial con la disponibilidad de motores a reacción y turbohélice con una alta relación empuje-peso. Si bien se exploraron varios conceptos, como los "tail-sitters", la mayoría eran técnicamente poco confiables y de una capacidad operativa dudosa; aunque allanarían el camino hacia el futuro.

Serían los británicos los que tomarían la delantera con el Hawker P.1127 y el posterior Hawker Siddeley Kestrel, los cuales demostraron que un caza con capacidad V/STOL no solo era técnicamente posible, si no que podía resultar potencialmente útil en combate.

Mientras el Kestrel completaba su metamórfosis en el Harrier que conocemos hoy en día, al otro lado del Atlántico los fabricantes estadounidenses no solo prestaban atención al desarrollo técnico si no que también veían un fuerte interés en este tipo de aeronaves de parte de la Aviación del Ejército y la Armada. 

El primer pasó lo dio Northrop, al intentar comercializar el Kestrel fabricado bajo licencia en los EEUU a la Aviación del Ejército en a mediados de los 60. Este esfuerzo encallaría debido a la falta de fondos y apoyo político. Mientras que el Ejército fue obligado a abandonar la idea de cazas V/STOL, la Armada y el USMC continuaron la gestiones dentro del Pentágono para hacerse con este tipo de aviones, especialmente el Harrier.

Su insistencia tuvo éxito, logrando los fondos para la adquisición del Harrier que sería producido bajo licencia por McDonnell Douglas. Los primeros Harrier de los Marines, denominados AV-8A, ingresaron al servicio a principios de los 70, casi al mismo tiempo que sus pares británicos en la RAF.

Para principios de los 80, McAir producía el AV-8B Harrier II una variante mejorada del original inglés donde el fabricante volcó toda su experiencia en el uso de materiales compuestos de grafito-epoxi para la construcción de alas, alerones, flaps, estabilizadores horizontales, timones y estabilizadores. Esto, junto con una versión más potente del motor Pegasus, y otras mejoras, daban por resultado una aeronave más capaz que su antecesor.

Sin embargo para la Armada esto seguía sabiendo a poco. Interesada por saber como sería la próxima generación de cazas V/STOL, el arma auspicio un programa de estudio y experimentación en conjunto con la NASA y la industria. El Centro de Investigación y Desarrollo de Buques Navales David Taylor, junto con el Comando de Sistemas Aéreos Navales (David Taylor Naval Ship Research and Development Center y Naval Air Systems Command en inglés) representarían a la Armada, mientras que el el Centro de Investigación Ames (Ames Research Center, en inglés) lo haría por la NASA.

La Armada y la NASA establecieron tres objetivos clave a conseguir con este estudio:

1. Identificar y analizar una amplia variedad de conceptos V/STOL de altas prestaciones que podrían llegar a ser adaptados para cubrir las misiones de caza o ataque de la Armada.
2. Estimar las características aerodinámicas de dichas configuraciones e identificar problemas que requieran investigación adicional.
3. Definir un programa de evaluación en túnel de viento, incluyendo el diseño y la construcción de modelos, para explorar estos problemas para proporcionar una base de datos aerodinámica de alta calidad para ser usada posteriormente por la Armada, la NASA y la industria.

Con los objetivos de investigación claramente definidos, quedaba pendiente hacerle llegar a la industria una serie de requerimientos para que presentaran sus diseños. Publicados en 1982, estos no representaban un requerimiento real de la Armada, si no que servirían como una base para que todos los oferentes desarrollaran sus conceptos desde un punto común.

• El análisis conceptual debe centrase en una aeronave V/STOL de altas prestaciones capaz de cumplir misiones de caza y ataque con un horizonte de entrada en servicio posterior a 1995.
• La aeronave deberá ser capaz alcanzar una velocidad supersónica de por lo menos Mach 1.6 por cortos períodos de tiempo.
• La aeronave deberá ser capaz de operar desde tierra y desde buques más pequeños que un portaaviones sin necesidad de catapultas o gancho de apontaje. Adicionalmente, tenía que tener buenas prestaciones STOL.
• Para garantizar una alta capacidad de maniobra la aeronave debería tener un factor de carga sostenido de al menos 6.2 a Mach 0.6, a una altitud de 10,000 ft (3,048 m) y al 88 % de su peso bruto VTOL. 
• La aeronave deberá tener un exceso de potencia específico a 1g de 900 ft/s (274 m/s) a Mach 0.9, a una altitud de 10,000 ft y al 88 % de su peso bruto VTOL.
• Se aceptaban diseños mono como bimotores, respetando los siguientes pesos:
• Bimotor: Peso bruto VTOL de 20,000 a 35,000 lb (9,072 a 15,876 kg). Peso bruto STOL al nivel del mar, equivalente al Peso bruto VTOL más aproximadamente 10,000 lb (5,436 kg).
• Monomotor: Peso bruto VTOL de 15,000 a 30,000 lb (6,800 a 13,000 kg). Peso bruto STOL al nivel del mar, equivalente al Peso bruto VTOL más aproximadamente 8,000 a 10,000 lb (3,629 a 5,436 kg).

Capitán de la industria VTOL

Tras recibir los requerimientos la respuesta de la industria fue muy positiva. McAir no podía ser menos y queriendo hacer vales su posición de liderazgo en la industria presentó su Model 279-3 en la categoría monomotor. Los ingenieros no quisieron jugarse con conceptos experimentales y fueron a lo seguro, construyendo su visión a partir de la tecnología probada en el Pegasus de un turbofan con toberas vectoriales, junto con el uso de materiales compuestos utilizados en el AV-8B.

Los ingenieros de McAir experimentaron con varias configuraciones diferentes antes de llegar a la definitiva. El Model 279-1 que se ve arriba tenía tomas de aire ventrales bifuracadas.
Fuente: Greater St. Louis Air & Space Museum Archives.

Con una configuración alar basada en el uso de planos canard de grandes dimensiones en proximidad a las alas, la zona frontal estaba dominada por dos tomas de aire de sección semicircular ubicados a los lados del fuselaje que suministraban un gran caudal de aire a un motor turbofan con una relación de derivación de 1:1 que contaba con cuatro toberas vectoriales las cuales funcionarían durante el despegue y posterior vuelo horizontal. 

A diferencia del Pegasus, donde las toberas de la parte delantera descargaban aire frío directamente del fan, las del Model 279-3 contarían con un motor Pratt & Whitney STF561-C2 equipado con Plenum Chamber Burning o PCB una tecnología que Rolls-Royce había desarrollado para el frustrado Hawker Siddeley P.1154, que permitía inyectar combustible e inflamarlo en la salida de aire frío obteniendo de esta manera empuje adicional hasta obtener un empuje máximo de 34,000 lbf (151 kN). Una suerte de postquemador, si se prefiere.

Uno de los principales problemas era la reingestión de gases calientes mientras el avión se encontraba en efecto suelo; por eso la parte superior de las tomas de aire avanzaba hacía adelante para que el aire fresco hacia el motor ingresara por arriba eliminando, al menos en teoría, este problema.

Otra innovación con la que contaría el Model 279-3 era un sistema de modulación del flujo de aire desde el fan, el cual funcionando en conjunto con la velocidad de giro del motor ayudaría compensar el desplazamiento del centro de gravedad producto del consumo de combustible y la carga bélica. También podría asistir en el control de cabeceo o servir como un sistema de respaldo.

El ala, con una envergadura de 10.92 m, tiene una relación de aspecto de 3.0, un ángulo de barrido de 45° y un ángulo anédrico de 9º. Montados en la parte superior de las tomas de aire, los planos canard tenían un ángulo de barrido de 45º y carecían de  diedro manteniendo la misma relación de aspecto que el ala. Al igual que en el Harrier, el tren de aterrizaje era del tipo biciclo, con dos trenes auxiliares que se retraían en sendos carenados en las alas.

A medida que progresaba el programa del Model 279, tanto los ingenieros, como el departamento de comercialización de McAir continuaron refinando el diseño para hacerlo más atractivo a la Armada. La imagen de arriba muestra una de las últimas ilustraciones promocionales realizadas por la empresa mostrando un Model 279-3 biplaza y con nuevas tomas de aire similares a las del F-15 Eagle.
Fuente: Greater St. Louis Air & Space Museum Archives.

Los canards totalmente móviles proporcionaban el control de cabeceo, mientras que el movimiento diferencial de los alerones controlaba el alabeo y el control direccional lo proporciona el timón. Como superficies hipersustentadoras, el Model 279-3 contaba con slats y flaps los cuales se desplegaban  automáticamente de acuerdo al número Mach actuando en conjunto con la deflección de los canards para maximizar la capacidad de maniobra. 

El Model 279-3 contaba con un sistema de control "fly-by-wire" digital, absolutamente necesario para mitigar la inestabilidad longitudinal presentada a velocidades subsónicas. Este sistema de control activo gestionaba el sistema de modulación del flujo de aire del motor, el sistema de control de reacción (RCS en inglés) y el empuje vectorial. Tomado del Harrier, el RCS actuaba sobre los tres ejes de la aeronave, descargando por medio de cuatro toberas ubicadas en la nariz, cola y punteras alares; aire sangrado del motor proporcionando control durante las etapas de vuelo vertical.

Gracias al fly-by-wire, el piloto disponía del control de empuje vectorial de las toberas del motor (Thrust-vectoring Control o TVC por sus siglas en inglés). Moviendo simétricamente las toberas, se realiza un rápido cambio en el factor de carga lo que produce una fuerte desaceleración, seguida por una aceleración ideal para cambios de dirección rápidos. En cambio, si eran movidas de manera diferencial, se podían utilizar durante los despegues STOL potenciando a los canards y reduciendo la distancia recorrida.

La célula del Model 279-3 serviría a McAir para demostrar su experiencia en el uso de materiales compuestos. Un 41% del peso de la célula era de materiales compuestos de epoxi de grafito, un 21% de aluminio, un 13% de titanio, un 8% de acero y un 17% de otros materiales. El uso de materiales compuestos correspondía al 50% de la estructura del ala, el 52% del canard, el 65% de la deriva, el 46% del fuselaje y el 55% de la sección del motor.

Performance de combate... en el túnel de viento

"Tiene la capacidad de maniobra del F-15, combinadas con despegue y aterrizaje verticales". Así definió Dick Martens, Ingeniero Senior del programa V/STOL de McDonnell Douglas al Model 279-3 en una entrevista dada a la revista Flight International en 1984 y no exageraba. Según las estimaciones del fabricante, el Model 279-3 sería capaz de alcanzar Mach 2, realizando maniobras de entre 6 a 9 g a Mach 0.65 y capaz de acelerar de Mach 0.8 a 1.6 en 70 segundos a 35,000 ft (10,668 m). 

Armado con dos misiles AIM-120 AMRAAM, dos AIM-9 Sidewinder y un cañón interno multitubo de 25 mm con 400 rondas, manteniendo el peso al despegue VTOL por debajo de las 30,000 lb (13,608 kg) el Model 279-3 tenía un radio de acción de 103 nmi (191 km). En cambio si realizaba un despegue STOL de menos de 50 ft (15 m), podía elevar su peso al despegue hasta los 31,220 lb (14,161 kg) pudiendo llevar una carga de combustible completa ampliando su radio de acción hasta las 160 nmi (296 km).

Si en cambio la carrera de despegue se alargaba hasta los 400 ft (122 m), el peso al despegue del Model 279-3 podía elevarse hasta las 48,800 lb (22,135 kg). Operando desde portaaviones equipado con un "Sky-jump" de 12º, el peso al despegue era de 41,800 lb (18,960 kg). Aunque no se incluye una descripción exacta del tipo de armamento que podría llevar el caza, vale la pena recordar que el peso máximo al despegue de un AV-8B es era de 20,755 lb (9,415 kg), mientras que el STOL era de 31,000 lb (14,100 kg).

La NASA cumplió con su parte del contrato y construyó un modelo de pruebas en el túnel de viento el cual fue extensamente probado en las instalaciones de la agencia en el Centro Ames. En general las pruebas fueron muy positivas pero pendía una duda sobre la performance de la aeronave en efecto suelo y la reingestión de gas caliente, por lo que la NASA recomendó realizar pruebas adicionales para despejar cualquier duda.

Esta ilustración muestra el uso de los "jet flaps" en el Model 279-3JF. Las simulaciones realiazada por la NASA demostraban que este dispositivo aumentaba significativamente el peso al despegue de la aeronave.
Fuente: The performance evaluation of a jet flap on an advanced supersonic Harrier (NASA-CR-119653).

McAir quería llevar el diseño original más allá. Buscando mejorar las prestaciones originales del Model 279-3, reemplazó las toberas posteriores del motor con un sistema de "jet flaps", donde la descarga de aire caliente del motor se realiza por unas boquillas instaladas en los flaps del ala alterando la distribución de la presión sobre la superficie alar, resultando en un aumento espectacular de la sustentación. Esta variante fue denominada 279-3JF y las ventajas sobre el 279-3 eran varias, para empezar necesitaría aún menos pista para despegar, mayor capacidad de carga y mejores prestaciones.

La NASA realizó una serie de pruebas en julio de 1984 utilizando el software ACSYNT (siglas de "Aircraft Synthesis") simulando una misión de interdicción con una distancia de despegue de 250 ft (76 m). El aumento de carga útil del 279-3JF se analizó de dos maneras, como aumento de carga de combustible o incremento de carga bélica.
(Nota del autor: Por si resulta de su interés, querido lector, ACSYNT estaba programado en FORTRAN y fue comercializado durante varios años).

En ambos casos los resultados fueron prometedores. El 279-3JF cuadruplicaba su radio de acción al poder llevar más combustible o bien fue capaz de transportar 14 bombas Mk.82 en la misma distancia en la que el 279-3 solo podía llevar cuatro. Adicionalmente, se consiguieron mejoras en el rendimiento y en la tasa de giro a costa de un ligero aumento en el peso en vacío del avión.

Una apuesta segura

Tras los resultados obtenidos en el túnel de viento, McAir estaba convencida de que la validez del proyecto no solo ameritaba continuar con los estudios de laboratorio para solucionar cualquier problema con la reingestión de gases calientes, si no que insistía en que se podía dar el siguiente paso y construir un demostrador para realizar pruebas de vuelo.

El fabricante aseguraba que su diseño, al estar basado en tecnologías probadas, era el de menor riesgo técnico por lo que dar el salto del tablero de diseño a la pista sería sin ningún tipo de sobresalto y a un costo muy bajo, especialmente si se consideraba que se podrían utilizar partes de aviones ya en producción como la nariz y cabina de un F/A-18, los planos de profundidad del A-7 como canards y el ala de un AV-8B para construir este prototipo del Model 279-3.

Pero antes de eso había que resolver muchos asuntos que no eran técnicos. Además de la asignación de fondos, quedaba pendiente una racionalización de recursos. EEUU y el Reino Unido estaban realizando sus propias investigaciones sobre vuelo VTOL supersónico y si bien había voluntad de firmar acuerdos para realizar un desarrollo conjunto, lo cierto es que a ambos lados del Atlántico había varios diseños siendo desarrollados en paralelo. La NASA misma estaba saturada de proyectos, y de solicitudes de fondos, de prácticamente todos los fabricantes para materializar sus conceptos VTOL.

Además, el fiasco y la posterior cancelación del Rockwell  XFV-12 no ayudaba mucho al caso de aviones VTOL supersónicos por lo que la idea fue perdiendo impulso a medida que avanzaba la década de los 80. 

La idea del caza VTOL supersónico resurgirá en los 90 con la creación del Joint Strike Fighter en 1993 entre la USAF, Armada y Marines al cual se unirá el Reino Unido dos años más tarde. Este programa dará origen al Lockheed F-35 Lightning II, el cual en su variante VTOL F-35B empezó a ser entregado a los Marines en 2012 y un año más tarde a la RAF marcando el fin de la vida operativa del Harrier. 

Corte transversal y vistad del Model 279-3.
Fuente:  Study of aerodynamic technology for single-cruise-engine V/STOL fighter/attack aircraft.

Características técnicas (Model 279-3):

• Tripulación: 1
• Longitud: 17.07 m
• Envergadura: 10.92 m
• Alto: 5.29 m
• Superficie alar: 47.75 m²
• Peso vacío: 18,827 lb (8,540 kg)
• Peso al despegue: 29,840 lb (13,535 kg) VTOL; 31,220 lb (14,161 kg) STOL
• Carga de combustible (interna): 8,566 lb (3,885 kg) VTOL; 9,950 lb (4,513 kg) STOL
• Planta motriz: 1x turborfan Pratt & Whitney STF561-C2 con una potencia máxima de 34,000 lbf (151 kN).

Rendimiento

• Velocidad máxima: Mach 2
• Radio de acción: 103 nmi (191 km) VTOL con peso al despegue de 29,840 lb (13,535 kg); 160 nmi (296 km) STOL con un peso al despegue de 31,220 lb (14,161 kg)

Armamento

• Carga bélica: 1,466 lb (665 kg) VTOL

Fuentes:

• Sweetman, B. (Febrero, 1983). US Navy STOVL ... Waiting in the wings? Air International. Vol.?(?).
• Hess, J. R. y Bear, R. L. Study of aerodynamic technology for single-cruise-engine V/STOL fighter/attack aircraft. (NASA-CR-166269). California, EEUU: NASA Ames Research Center, 1982.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19840020698/downloads/19840020698.pdf
• Nelms, W. P. y Anderson, S. B. V/STOL Concepts in the United States - Past, Present and Future. (NASA-TM-85938). California, EEUU: NASA Ames Research Center, 1984.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19840014464/downloads/19840014464.pdf
• Lipera, L. D. y Sandlin, D. R. The performance evaluation of a jet flap on an advanced supersonic Harrier (NASA-CR-119653). California, EEUU: California Polytechnic State University, Aeronautical Engineering Department, 1984.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19860021250/downloads/19860021250.pdf
• Madson, M. D. y Erickson, L. L. PAN AIR analysis of the NASA/MCAIR 279-3: An advanced supersonic V/STOL fighter/attack aircraft. (NASA-TM-86838). California, EEUU: NASA Ames Research Center, 1986.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19880014366/downloads/19880014366.pdf