En busca del equilibrio vertical: El McDonnell Douglas Model 4629

Representación artística del Model 4629 en vuelo.
Fuente: McDonnell Douglas.

Cuando McDonnell Douglas abandonó el proyecto del Model 279-3, parecía que sus aspiraciones de crear un caza supersónico de despegue vertical habían llegado a su fin, pero la historia estaba lejos de terminar. Apenas una década después, los ingenieros de St. Louis regresaron con una propuesta aún más radical, reutilizar los gases de escape del motor principal, mezclarlos con aire frio del compresor y expulsarlos por unas toberas para generar sustentación, sin depender de conexiones mecánicas.

El resultado fue el Model 4629, una de las propuestas más originales surgidas durante la búsqueda del futuro reemplazo del Harrier. Sobre el papel parecía brillante. En la práctica, acabaría siendo descartado en favor de sistemas mecánicos aparentemente, más confiables.

Si hay un concepto fascinante dentro de la historia de la ingeniería aeronáutica de finales del siglo XX, es el interminable intento de resolver el dolor de muelas que representaba el desarrollo de un cazabombardero supersónico de despegue corto y aterrizaje vertical (STOVL por sus siglas en inglés). Cada nación que se jactara de tener una industria aeronáutica competente intentó dar una respuesta a este problema sin llegar a un diseño plenamente satisfactorio.

El problema es que durante décadas, el Hawker Siddeley Harrier, y su primo estadounidense el AV-8, proyectaron una larga sombra sobre todas las mesas de dibujo. El Harrier era genial, sí, pero subsónico, de alcance limitado y con una carga bélica limitada. 

A mediados de la década de 1980, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EEUU (mejor conocida por su sigla en inglés, DARPA) y el Ministerio de Defensa del Reino Unido (MoD, por sus siglas en inglés) unieron fuerzas bajo el programa Advanced Short Take-Off/Vertical Landing (ASTOVL). El objetivo de este esfuerzo era ambicioso pero claro, desarrollar las tecnologías necesarias para reemplazar a la flota de Harriers de la Infantería de Marina norteamericana (USMC) y de la Royal Navy con un caza supersónico de nueva generación.

Mc Donnell Douglas exploró varios conceptos, principalmente alrededor de la idea de utilizar gases fríos y calientes por separado; o bien combinarlos y redistribuirlos. Optaron por lo segundo, siendo este un esquema de su propuesta basada en el P&W F119.
Fuente: Mc Donnell Douglas.

Pronto quedó en evidencia que fabricar una plataforma dedicada exclusivamente a las operaciones STOVL resultaba prohibitivamente caro. Sin embargo, los estudios conceptuales arrojaron una conclusión bastante reveladora. Si se diseñaba una célula donde el complejo sistema de sustentación vertical de un caza STOVL, pudiese ser fácilmente reemplazado por tanques de combustible adicionales, se obtendría un segundo diseño en la forma de un caza de de despegue convencional de la categoría del F-16 dando origen a una familia de cazas a partir de un bloque estructural común. 

A partir de esta sencilla idea, nació en 1993 el programa Common Affordable Lightweight Fighter o CALF bajo la tutela de DARPA y la Armada estadounidense. La premisa era concebir una célula común capaz de generar variantes para el USMC/Royal Navy (STOVL) y la USAF (CTOL) a un costo unitario muy bajo.

Siendo el mayor especialista en vuelo VTOL en los EEUU, McDonnell Douglas estaba listo para participar. A mediados de los 80, había propuesto su Model 279-3 en un programa conjunto entre la Armada y la NASA con el mismo fin, un caza VTOL supersónico. Aunque nunca pasó de ser un concepto, este diseño dejó un importante legado tecnológico. Durante su desarrollo, McDonnell Douglas acumuló experiencia en sistemas "fly-by-wire" digitales, empuje vectorial, y en la resolución de uno de los grandes desafíos del vuelo vertical, la reingestión de gases calientes. 

El programa ASTOVL le dio la oportunidad a McAir de continuar desarrollando conceptos que habían iniciado el Model 279, más precisamente la reutilización de los gases de escape calientes del motor como principal fuente de empuje o energía para lograr el vuelo vertical. Este esfuerzo se materializó en una serie de diseños englobados en los estudios Mixed Flow Vector Thrust o MFVT. 

La idea central del MFVT consistía en combinar el flujo de aire frio proveniente del compresor del motor junto con los gases calientes de la turbina para generar empuje vertical mediante toberas vectoriales, aprovechando el propio motor principal como fuente de sustentación.

A diferencia del Harrier, donde el motor Rolls-Royce Pegasus dirige directamente sus flujos de aire frío y caliente hacia cuatro toberas giratorias, el MFVT buscaba una integración mucho más sofisticada entre motor, toberas y sistemas de control. Los estudios de NASA y McDonnell Douglas se centraron precisamente en cómo mezclar ambos flujos (mixed flow) y vectorizarlos (vectored thrust) para maximizar la sustentación durante el vuelo vertical y la eficiencia en vuelo supersónico.

Jugando con los gases

Derivado del MFVT McDonnell Douglas, presentó el Model 4629 dentro del programa CALF estando el diseño basado la combinación de una novedad planta motriz, integrada en con un avanzado sistema de control de vuelo (Integrated Flight/Propulsion Control o IFPC).

Diagrama que muestra la ubicación del motor (rosa), los ductos de redistribución de gases (gris) y las tomas de aire (azul) con respecto a la célula de la aeronave. Se puede ver que el sistema ocupaba una gran parte del volumen interno.
Créditos de la imagen a quien corresponda. Retocada y coloreada por No Barrel Rolls.

El Model 4629 adoptaba una configuración stealth con una ala de forma trapezoidal y doble deriva, sin planos de profundidad. Además de reducir la firma de radar, este diseño aseguraba una aerodinámica optima durante el vuelo supersónico.

Al contrario que su rival, Lockheed Martin que que apostaba por un motor de sustentación (Fan) conectado por medio de un eje de transmisión acoplado al motor principal (conocido como Shaft-Driven Lift Fan), McDonnell Douglas junto con Pratt & Whitney basaba el sistema de propulsión en un el diseño Remote Gas-Driven Lift Fan (GDLF).

El motor (un derivado de la serie Pratt & Whitney F119) operaba como un turbofán convencional durante el vuelo horizontal, dirigiendo todo el flujo de gases hacia una tobera vectorial construida con placas que le daban una sección rectangular. La transición al vuelo vertical se lograba mediante un conjunto de válvulas mariposa en el conducto de escape, donde una fracción masiva de los gases calientes de la turbina se redirigía hacia adelante a través de ductos internos que descargaban en unas toberas vectoriables, mientras que otra parte se descargaba hacía una tobera ventral.

Para ejercer el control de guiñada y cabeceo, se desviaba dinámicamente el empuje entre las toberas de sustentación principales, la tobera ventral y las salidas de control de reacción (RCS por sus siglas en inglés). El sistema IFPC coordinaba los mandos de vuelo con la respuesta del motor a velocidades de variación de empuje superiores a 10,000 lb/s (4,536 kg/s).
(Nota del autor: La unidad lb/s, y su equivalente métrico kg/s, expresa un flujo másico muy alto, común en motores de cohetes).

McDonnell Douglas Model 4629 no solo pretendía validar el sistema GDLF, si no que su objetivo era demostrar que el diseño podía madurar hasta convertirse en un caza de ataque STOVL plenamente operativo, capaz de enfrentarse a las amenazas previstas para el siglo XXI. Durante los estudios realizados en los programas SCIP (en conjunto con la NASA) y PROLIFIC (con la USAF), McDonnell Douglas estimó que la aeronave podría alcanzar velocidades de Mach 1,5-1,6, mantener supercrucero cercano a Mach 1,2, superar los 50,000 ft de techo de servicio y ofrecer radios de combate de hasta 500 nmi en misiones STOVL y más de 650 nmi en operaciones CTOL.

A diferencia del Harrier, el Model 4629 incorporaba bodegas internas de armamento, permitiéndole transportar bombas guiadas y misiles AIM-120 AMRAAM sin comprometer su stealth. También disponía de puntos duros externos para misiones donde la baja "observabilidad" no fuese una prioridad.

Perfil de misión de interceptación aérea embarcado para el Model 4629.
Fuente: STOVL Control Integration Program. NASA Contractor Report 195358.

El sistema GDLF aportaba además ventajas tácticas significativas. La combinación de la tobera vectorial y el sistema de control IFPC mejoraba la maniobrabilidad a baja velocidad y altos ángulos de ataque, mientras que el ventilador delantero, alimentado por aire ambiente, reducía la firma infrarroja durante las operaciones verticales. Al eliminar los largos ejes de transmisión mecánicos, la distribución neumática de potencia ofrecía una respuesta más rápida y flexible a las demandas de control de vuelo.

De ASTOVL y CALF hacia el Joint Strike Fighter

Hacia finales de 1993, el Pentágono llevó a cabo la llamada Bottom-Up Review (BUR). El análisis reveló que había varios programas concurrentes en desarrollo, el A/F-X de la Armada, el MRF de la USAF, el CALF y el ASTOVL; una autentica demostración del viejo adagio de "quien poco abarca poco aprieta". Para el Pentágono, esto no solo era ineficiente si no que financieramente, insostenible.

Como resultado, la A/F-X y el MRF fueron cancelados el 1 de septiembre de 1993. Sus recursos, junto con los programas CALF y ASTOVL, se unificaron bajo la oficina del programa JAST (Joint Advanced Strike Technology), que poco después pasaría a denominarse formalmente Joint Strike Fighter (JSF) en 1995. 

McDonnell Douglas alineó su propuesta para el concurso JSF utilizando la evolución madurada de la tecnología probada en el Model 4629. En la competencia por la fase de demostración de conceptos del JSF en 1996, McDonnell Douglas presentó su diseño definitivo de ala en delta canard (asociándose con Northrop Grumman y British Aerospace). Sin embargo, la propuesta fue descartada antes de llegar a la fase de prototipos, dejando como finalistas a Lockheed Martin con el X-35 frente al X-32 de Boeing. 
Lockheed presentará sus sistema Shaft-Driven Lift Fan; mientras que la oferta de "la gran B" utilizaba un sistema de toberas vectoriales más parecido al del Harrier.

¿Cómo es que la oferta del principal referente de vuelo vertical fue rechazada? La verdad, es que no hay una sola respuesta. Las simulaciones del sistema GDLF mostraron que redirigir grandes masas de gases de escape muy cerca de la zona frontal del caza creaba picos de alta temperatura en la toma de aire del motor. Esto amenazaba con provocar pérdidas en el compresor (compresor stalls) catastróficas durante el vuelo estacionario cerca del suelo.

Otro factor que fue considerado negativo era el espacio que ocupan los ductos de aire caliente a alta presión a lo largo del fuselaje los cuales no solo ocupaban un lugar valioso, que podría haber sido aprovechado para el combustible o aviónica, si no que introducían un punto vulnerable que podría llegar a ser un riesgo en caso de que resultase dañado en combate. En 1995, el propio fabricante reconoció esta limitación e intentó una contraoferta reemplazando el sistema GDLF por una combinación de motor de sustentación y motor crucero (denominada Lift-Plus-Lift/Cruise) pero esto solo generó una fuerte reticencia de parte del USMC que presintieron que sería una pesadilla logística.

Perfil de misión CAS para el Model 4629. Notar el armamento que combina Rockeye, Sidewinder y cañón.
Fuente: STOVL Control Integration Program. NASA Contractor Report 195358.

El Pentágono tampoco estaba muy convencido del Model 4629, al considerar que la configuración aerodinámica con canards y el sistema de sustentación vertical hacían que la aeronave no calificara dentro de los parámetros de velocidad de aproximación y peso al apontaje no cumplían con los requerimientos de la Armada. 
(Nota del autor: Resulta muy curioso que McDonnell Douglas, con los años de experiencia en desarrollo de aeronaves embarcadas, se le haya pasado por alto estos dos puntos).

Finalmente estaba la complejidad del propio diseño en sí. Para el comité que evaluó los diseños, la oferta de McDonnell Douglas con el uso del GDLF presentaba un mayor riesgo técnico, comparado con la elegancia y practicidad mecánica del diseño de Lockheed Martin.

El precio de expandir los horizontes

Habiendo puesto la vara muy alta con el AV-8, McDonnell Douglas intentó superarse con el Model 4629 y sus sistema GDLF. Creado bajo un contexto en donde el interés y financiación estaba disponible y en cantidad permitiendo explorar diferentes caminos sin descartarlos de antemano. La idea de aprovechar los propios gases del motor y redistribuirlos a diferentes puntos de la célula para generar empuje sin una sola conexión mecánica, y por ende menos piezas que podrían dañarse o necesitar mantenimiento, era genial desde el punto de vista conceptual, pero poco práctico en la vida real.

Al final, la eliminación de McDonnell Douglas del programa JSF precipitó la pérdida de su independencia, acelerando su fusión con Boeing en 1997. Lockheed Martin se hizo con el contrato, especialmente, después de los problemas que tuvo el X-32 para demostrar la validez de su capacidad VTOL.

Cada vez que vemos hoy a un F-35B posarse en la cubierta de un buque, conviene que recuerde querido lector que alguna vez un grupo de ingenieros de St. Louis propuso una alternativa, en la forma de un complejo ballet de gas caliente en unos conductos que estuvo a solo unas pocas decisiones de convertirse en el sistema preferido para la aviación de combate VTOL del siglo XXI.

Tres vistas del Model 4636. Este diseño sería la versión más refinada del Model 4629 y permite tener una idea de las dimensiones estimadas del caza, con una envergadura de10.18 metros y una longitud de 17.25 metros.
Fuente: STOVL Control Integration Program. NASA Contractor Report 195358.

Fuentes:

• Gilmartin, P. A. (Abril 23, 1990). Navy Issues Tentative Requirement For STOVL Fighter Sought by 2010. Aviation Week & Space Techonology. Vol.?(?).
• Weiss, C; McDowell, P; y Watts, S. STOVL Control Integration Program. NASA Contractor Report 195358. Cleveland, EEUU: NASA Lewis Research Center, 1994.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19950005074/downloads/19950005074.pdf
• Webmaster. History Pre-JAST. F-35 Lightning II (www.jsf.mil).
  Disponible en: https://web.archive.org/web/20191206155846/http://www.jsf.mil/history/his_prejast.htm
• Webmaster. DARPA / Navy Common Affordable Lightweight Fighter (CALF) 1993-1994. Global Security. Disponible en: https://www.globalsecurity.org/military/systems/aircraft/calf.htm
• Webmaster. Advanced Short Take-Off/Vertical Landing (ASTOVL) 1983-1994. Global Security. Disponible en: https://www.globalsecurity.org/military/systems/aircraft/astovl.htm