Parte 1º Cinemática: gráfica energía-maniobrabilidad y PS (SEP)

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No es difícil encontrarse en foros cierto tipo de gráficas sobre algún parámetro en concreto dónde se intenta comparar a varios modelos diferentes de aviones y de las cuales se interpreta de un modo simplista cuando no equivocado cual es mejor o no. Creo que hacía falta una explicación sobre parámetros que influyen a la hora de intentar vislumbrar que aviones pueden tener ventaja y el porqué de un modo realista.

En la primera parte tocaremos los 2 parámetros más importantes a la hora de estudiar el rendimiento cinético de los aviones, que es la gráfica de energía-maniobrabilidad por un lado dónde cobra importancia la capacidad de giro y la del exceso de potencia específica por el otro. Ya en la segunda parte correspondiente a otro artículo, trataré la influencia del drag, o resistencia al avance en la cinética de los aviones.

Antes de comenzar, comentar que en la época actual, dónde la parte sensorial de los aviones es importantísima, dónde los HMD (Helmet Mounted Display) y los misiles infrarrojos de imagen todo aspecto han cambiado las reglas del juego, estos debates de quién tiene un giro mejor pasan a un segundo plano, lo que hace 30-40 años eran conceptos importantes en el diseño de un caza, hoy ya no lo son tanto, incluso puede que pasen a segundo plano en pos de aviones con mejor capacidad de carga o radio de combate. Antiguamente sí eran conceptos importantes dado que se necesitaba poner al avión casi a las 6 en punto del avión hostil para engancharle un misil IR de las primeras generaciones con un cono de enganche muy reducido, y no hablemos si queríamos hacer un derribo usando el cañón, pero hoy ya no es así, cuando la capacidad de enganche de la nueva generación de misiles IIR junto a los HMD supera en muchos casos los 180º e incluso en casos como el F-35 puede llegar a los 360º. No es imprescindible girar más cerrado que el oponente.

En el siguiente gráfico vemos como distintos parámetros que antes se consideraban importantes han ido cambiando a lo largo del tiempo, con el advenimiento de nuevas tecnologías como la de los misiles IR. 

Dejando de lado esta pequeña introducción y entrando ya en el objeto del artículo, lo primero que hay que entender es que un avión de combate sea el que sea, tiene un rendimiento variable a lo largo de su envolvente de vuelo. Salvo casos excepcionales (pudiese ser el Raptor), no existe el caza perfecto por cuanto a cinética. Esto no es nada nuevo, ya pasaba en la 2º guerra mundial. Alguien no experto enseguida podría decir que el Spitfire era el mejor avión de combate o el BF-109, o el P-51. Sin embargo alguien que sí sabe de lo que habla, lo primero que te preguntará es sobre qué modelo o variante concreta estamos hablando y sobre cual envolvente del vuelo.

Hace ya tiempo un expiloto John Boyd y un miembro de la USAF Thomas Christie, idearon una manera de comparar rendimientos de diferentes aviones entre sí, por medio de lo que se dio a conocer como diagrama de energía-maniobrabilidad, bajo la teoría de la energía maniobrabilidad (EMT). El EMT de Boyd analizaba lo bien que un avión podría cambiar los estados de energía, que involucran a la velocidad, la aceleración, la energía cinética y potencial, esencialmente dando un valor numérico a qué tan bien podría maniobrar un avión bajo diversas condiciones. 

En el eje de abcisas mostraban el número de Mach y en el de ordenadas, el radio de giro, expresado en grados/segundo. A su vez, la envolvente resultante del avión va impresa sobre una malla dónde se muestra la fuerza g soportada por un lado y los pies o metros correspondiente al radio de giro.

En la siguiente imagen, podemos apreciar un ejemplo de dicha gráfica, que nos muestra la comparativa entre un Mig-21 y un Phantom F-4E a nivel del mar y con una determinada carga de combustible y de combate. Hay que comparar a los aviones siempre bajo circunstancias similares lo contrario no tendría lógica alguna. Esta gráfica sería necesario realizarla a cada altitud de la que estemos interesados. Vemos que en el correspondiente giro sostenido de ambos aviones, que corresponde con el PS=0 (exceso de potencia), se intersectan ambos modelos a algo más de 450 nudos de velocidad, o lo que es lo mismo a unos 850 Kilómetros/hora. Vemos que a partir de esa velocidad, la línea azul está por encima de la roja, lo que nos indica que el Phantom a mayor velocidad, disfrutará de un exceso de potencia en relación al MIG-21, mientras éste a menor velocidad de 450 nudos, disfrutará por el contrario de una ligera ventaja (y esto siempre al nivel del mar), es decir, podrá sostener un giro sin perder energía, sin perder altitud. El Phantom para poder mantener ese giro cerrado, solo lo podrá hacer a costa de perder energía, es decir a costa de perder altitud.

Asimismo, el máximo giro sostenido del F-4E correspondería con un valor aproximado de carga de unos 5g, 16-17 grados por segundo de giro sostenido con un radio descrito de alrededor 1750 pies  a una velocidad de unos 310 nudos.

El giro sostenido máximo del Mig-21 sería también muy similar de unos 16-17 grados por segundo, pero sin  embargo, alcanzaría una velocidad y fuerza G mayor, lo que haría que su radio de giro sea igualmente mayor, esto que el radio de giro sea mayor, no es positivo. Un Phantom podría en este caso cerrar el giro antes que el Mig-21 bajo estas circunstancias concretas. Y remarco en negrita, porque a otra altitud, se podría dar el caso contrario.

Todo piloto en combate cercano con otro avión estará buscando las 6 del avión rival, e intentará por todos los medios alcanzar su giro sostenido máximo con el menor radio de giro antes que el otro piloto. Esto es importante, si el piloto contrario es capaz de llegar a la situación de poner a su avión en su giro sostenido máximo, aunque el tuyo sea mejor, va a gozar de ventaja.

El combate no lo gana necesariamente el avión con las mejores características sino el piloto que coloca antes el avión en su mejor performance y que puede cambiar antes su estado cuando lo necesite. Ni que decir que entre aviones de características muy similares, que un piloto entrene 200 horas al año o 20 horas al año, es muy importante, por cuanto al dogfight puro y duro.

No hay que confundir giro sostenido con giro instantáneo, en el caso del Phantom su giro instantáneo sería de aproximadamente 23 grados por segundo, superior al del Mig-21 (22º), pero este giro no es sostenible, se perdería altitud inmediatamente. Puede ser relevante en la era post misiles IR, para situar rápidamente la nariz del avión en un ángulo que apunte al adversario.


 

Como decía a cada determinada altitud esta gráfica se repite, y puede darse el caso que a una mayor altitud la ventaja de uno sobre otro sea mucho más grande o al contrario que a mayor altitud el avión que tenía peores características a nivel del mar, se imponga.

Cuando se comparan cazas de prestaciones muy similares, decir que uno es mejor que otro en líneas generales porque a una determinada altitud puede hacer un giro sostenido y/o instantáneo más rápido no es correcto. Seria reducir un asunto complicado con demasiadas variables hombre-máquina a algo demasiado simple.

Aquí vemos otro ejemplo, donde a la comparativa se añade un F-16, la gráfica correspondería a una altitud de 11 kilómetros (36.000 pies) y se observa que la PS=0 del F-16 supera claramente a las otras dos, el F-16 claramente tiene un rendimiento superior a ambos cazas con un giro sostenido superior tanto en subsónico como supersónico. No hace falta decir que comparamos cazas de distintas generaciones, pero sirve para entender un poco las cosas.



Aún así este gráfico de energía-maniobrabilidad no explica otros datos que pueden ser importantes, así por ejemplo para comparar en un mismo gráfico el comportamiento de varios aviones a distintas altitudes, tenemos el gráfico que refleja el exceso de potencia específica, también conocida como PS o SEP y que suele venir expresada en pies/segundo.  El gráfico por el lado de las abscisas sigue manteniendo la velocidad, pero en las ordenadas ahora se muestra la altitud.

Cuando disponemos de la PS de varios aviones, nos llegaría con restar una sobre otra, para obtener de un modo gráfico qué avión goza de ventaja. Esto habría que hacerlo para cada carga G, ya que solo hace referencia a un determinada carga.


Via Fixed Wing Performance


En el gráfico anterior se ve la grafica de 2 cazas superpuesta. En el siguiente, se ve la gráfica obtenida después de proceder a restar la PS del avión A a la PS del avión B.

La zona sombreada corresponde con la ventaja que obtendría el avión B sobre el A, mientras que la zona no sombreada correspondería con la zona de la envolvente dónde el avión A obtendría ventaja. En este caso el avión A sería capaz de retener energía más fácilmente que el B, y cuanto más sea el exceso de potencia sobre el otro, mayor sería esa ventaja.

Los pilotos han de intentar combatir en aquellas zonas de la envolvente dónde su caza se muestra superior al del contrario. Aunque esto no siempre es posible dependiendo del cruce entre ambos aviones, ambos han de luchar por llegar a esa zona que les favorece lo más rápido posible.

La trepada, la aceleración y la capacidad de giro del avión son necesarios cuando se intenta superar a un oponente en combate. El exceso de potencia específico es una herramienta útil cuando se utiliza al igual que el de capacidad de giro para comparar aviones, ya que indica qué avión tiene la mejor maniobrabilidad en determinadas condiciones. El avión con una Ps=0 que envuelva a la del oponente puede igualar las maniobras del otro avión perdiendo menos energía y tiene más probabilidades de ganar un combate.

Via Fixed Wing Performance


En el siguiente gráfico dónde se expone el diferencial de exceso de potencia específica entre el F-4 Phantom y el Mig-21, vemos las zonas de la envolvente en el cual uno es superior al otro, reteniendo mejor la energía, bajo un determinado tipo de condiciones como es el ir en configuración limpia y con el 50% de combustible en su interior.

Diferencial PS para el F-4 y MIG-21



En otro orden de cosas, además de comprender o sacar el máximo partido al avión en los enfrentamientos de combate, las gráficas de exceso de potencia específica (PS/SEP) se utilizan para optimizar el rendimiento del avión en los ascensos o trepadas y en las transiciones entre los estados de energía. Se usan para desarrollar trayectorias que buscan el tiempo mínimo de ascenso, el tiempo mínimo hasta un nivel de energía determinado o las mejores trayectorias para las transiciones subsónicas a supersónicas y el uso del combustible mínimo hasta un determinado nivel de energía. Estos métodos de determinación del rendimiento basados en la energía fueron desarrollados por el ingeniero de Douglas, Edward Rutowski, y son conocidos como los métodos de energía de Rutowski. 

En la gráfica siguiente, la línea marcada por los puntos A-I sería la trayectoria a elegir a la hora de realizar una trepada. En dicho gráfico vemos representada las zonas PS del avión junto a las líneas de energía constante. Cada modelo de avión lógicamente dispondrá de su propia línea óptima de trepada. La trayectoria resultante viene definida por la unión de los puntos de máximo exceso de potencia especifico. El perfil óptimo sería trepar en velocidad subsónica usando los puntos de máximo exceso de potencia (A-D), para antes del vuelo transónico realizar un picada (puntos D-D´) siguiendo paralelo al contorno de energía constante mientras se transita esa zona, para una vez pasado el régimen transónico, y ya en supersónico continuar desde el punto D´ al I siguiendo nuevamente los puntos de máximo exceso de potencia (PS o SEP -specific excess power-).



Perfil de trepada de Rutowski


Las líneas de constante energía, nos indican que pasar de un punto al otro a nuestro avión dentro de esas líneas, no nos supondría la perdida de energía, como en el siguiente ejemplo sería pasar del punto A al B. Recordemos que la energía de un avión es la suma de la energía potencial (altitud) más la energía cinética (velocidad), cambiando una por la otra, podremos obtener una energía constante.


Via Fixed Wing Performance


Sin embargo pasar de una línea PS a otra no es posible intercambiando energía potencial por cinética, o viceversa. Para ello es necesario un aumento de potencia (PS) proporcionada por el propulsor. El PS sería el exceso de potencia disponible, restada de la potencia necesaria para realizar un vuelo estable. Ese exceso de potencia, nos servirá para acelerar el avión o hacerle trepar. Sin exceso de potencia o que éste sea negativo ni podremos acelerar ni trepar, necesitaremos reducir altitud para lograr un PS positivo.

El propulsor juega un papel principal, vemos como el exceso de potencia específica es mucho mayor en altitudes bajas y medias, que es dónde los propulsores dan sus mejores prestaciones. Cuando se habla de que X propulsor da una potencia en mojado de 30.000 libras de empuje, hay que tener claro que esa potencia no está disponible en todo el régimen de altitud. En la siguiente comparativa entre 2 propulsores que equipan a unos modelos de F-15 y Su-27 puede observarse lo mencionado.




Es pues importante, que un caza disponga de un buen propulsor, la llegada próximamente de propulsores con tecnología de ciclo variable, los cuales prometen de aumento en la aceleración de > 20% y de la potencia de > 10% serán un game changer para quién disponga de ellos en primer lugar. ¿he oído F-35 por ahí?

Resumiendo, la gráfica de energía-maniobrabilidad, y la de exceso de potencia específica son dos de las herramientas disponibles a la hora de comparar varios aviones entre sí y ver las ventajas cinéticas de uno sobre otro en las distintas envolvente de vuelo. Estos son datos que solo es posible conocer a través del testeo de los aviones; cuando un país obtiene un avión rival, puede estudiarlo en profundidad mediante la realización de test que pongan al descubierto todos estos datos, de esta forma encontrar los puntos fuertes y débiles y poder combatirlo mejor con las armas propias que se disponga o desarrollar otras al efecto.

Espero que este artículo haya ayudado a comprender mejor los parámetros que influyen a la hora de analizar la maniobrabilidad de los aviones o mejor dicho los parámetros que influyen en que un avión tenga más posibilidades de imponerse a otro de contar ambos con igual nivel de pilotos, y que hacer reducciones como he visto en muchos sitios de tal avión es malo o bueno, por este o aquel solitario dato que lo deja en mal lugar, normalmente no es indicativo de nada. Las cosas son mucho más complejas y nadie tiene acceso a información de cazas actuales como para hacer afirmaciones que tienden más a filias o fobias que a hechos reales.

Para cualquiera que tenga interés en profundizar en el tema en la sección de referencias adjunto el penúltimo link a una página dónde trata este tema analizando desde el punto de vista del piloto de combate los puntos de la gráfica de energía-maniobrabilidad a alcanzar lo más rápido posible para partir con ventaja.

Y por último dejo una explicación sencilla de lo ya comentado mediante un video de Youtube, que puede ayudar a una mejor comprensión a los que aún tengan alguna duda.


Comparativo gráfica energía maniobrabilidad Spitfire MK IX versus BF 109 K-4