Parte 2º Cinemática: dichoso Drag

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Esta es la 2º parte del capítulo dedicado a la Cinemática, dónde se trata el efecto del Drag o resistencia al avance en un avión de combate y su relevante importancia.



El Drag es la resistencia generada por el avión al avance, dicha resistencia es vencida por el empuje ofrecido por el propulsor, a mayor drag de la célula del avión, mayor necesidad de empuje será necesario para una misma velocidad. Es uno de los cuatro componentes principales que actúan sobre un avión junto al peso, al empuje y la sustentación. Que el avión acelere, trepe, o incluso entre en pérdida, es derivado de la correlación de fuerzas entre estos cuatro componentes.

En combates a cara de perro el drag es un componente a considerar, porque afecta directamente a la capacidad de maniobra y aceleración del avión.

En la siguiente figura, tenemos la formula de cálculo total del drag generado por cada modelo de avión específico, está afectado por 4 variables, la velocidad del aire, la densidad del aire, el coeficiente de drag (Cd) y la sección transversal del avión.


Via elementsofpower.blogspot.com

El coeficiente del drag y la sección transversal son los dos principales componentes en dicha formula. A mayor cantidad de estos, mayor drag total generado. Vemos en la siguiente imagen la sección transversal de dos aviones, por un lado el Superhornet y por el otro el F-35C. Salta a la vista que la sección transversal del Superhornet es similar a la del F-35C en configuración limpia, pero en cuanto le colgamos cargas externas en pilones, como suele suceder en los aviones de 4º generación sin excepción, ya se convierte en una sección transversal superior. Y esto, con la versión C del F-35 que como veremos después es la versión con más drag de la saga JSF.




Uno no es consciente de la cantidad de drag que es generado por cargas suspendidas en los aviones de 4º, hasta que tiene un avión delante y comprueba las verdaderas dimensiones del mismo y sus pilones. En la siguiente imagen, creo que cualquiera puede hacerse una ligera idea sobre las dimensiones de lo que estamos hablando tomando como referencia un inodoro que todo el mundo conoce en relación a las dimensiones de un pilón. Los pilones junto a las cargas suspendidas muchas veces con doble o triple rack son grandes, y ofrecen una gran resistencia al avance y una mayor sección transversal. Hay pilones para cargas aire-superficie que pueden llegar a pesar hasta 200 kilogramos dependiendo del tipo.




Además de la sección transversal, tenemos el conocido coeficiente de Drag (Cd), el cual es un valor adimensional que cuantifica la resistencia al arrastre de un objeto en un medio fluido, en este caso concreto el aire. El diseño del avión determinará este valor, siendo la fricción de la superficie de las alas uno de sus mayores componentes como vemos en el gráfico a continuación. En el Cd, la relación de los componentes varia dependiendo de la interacción entre las superficies del avión y el flujo del aire, de tal manera que dependiendo de si el vuelo es subsónico o supersónico esa relación cambia y con ello el valor del Cd. Vemos como en el vuelo subsónico el gran contribuidor al Cd es la fricción con la superficie, mientras en el vuelo supersónico el mayor contribuidor al Cd es el arrastre generado por las ondas que se forman a lo largo de toda la superficie del avión. La fricción con la superficie aún siendo importante es menor.


Vía Design for Air Combat Whitford, R, 1987 pág 19


Típica figura de la variación del Cd en un avión con ala barrida. Vemos que el mayor pico se sitúa en la zona supersónica. Volar a altas velocidades trae consigo la necesidad de mayor cantidad de empuje al ser mayor el drag generado con el consiguiente aumento del consumo de combustible. Observamos también como el menor Cd se suele generar en zona subsónica en torno a 0.8-0.9 Mach, no es extraño que los cruceros para ahorro de combustible se realicen a esas velocidades.


Vía Design for Air Combat Whitford, R, 1987 Pág 46 


En vuelo supersónico las ondas generadas en la superficie del ala, cobran especial relevancia en el Cd, por lo que aquellos aviones dotados de una mayor superficie generarán un mayor arrastre. Las ondas generadas en la cola, no son tan relevantes, ni las formadas en el resto de cuerpo del avión.


Formación de ondas en vuelo supersónicas en dos T-38, vía NASA



Vista lateral formación de ondas en la superficie en vuelo supersónico, vía NASA

El Cd diferirá pues según a la velocidad que el avión esté transitando, un F-4 Phamton en velocidad subsónica tiene un Cd de 0,205 mientras  en vuelo supersónico el Cd es de 0,439 (1), prácticamente el doble.

En la siguiente figura, cuyos datos han sido extraídos del manual del F-16 CJ, podemos observar la aceleración del avión en el tramo transónico comprendido entre 0,79 Mach y 1,25 Mach, atendiendo a cinco supuestos, que van desde el más sencillo con una configuración totalmente limpia del avión con un índice de drag (ID) 0, al más extremo con una configuración aire-tierra provista de 2 tanques externos de combustible, el cual nos lleva a un ID de  aproximadamente 150 según el manual.


Figura 1: Elaboración propia




Un mayor peso y sección transversal, trae consigo una degradación de prestaciones según incrementamos capacidad pilones y cargas suspendidas. Las conclusiones saltan a la vista, pasamos de una aceleración de 36 segundos y una distancia de poco más de 6 millas náuticas en el supuesto número cuatro a una aceleración de más de 200 segundos y una distancia de más de 36 millas náuticas en el supuesto cinco. Prácticamente pasar de un índice de drag de 0 a otro de 150 en un F-16, es pasar a degradar las marcas alcanzadas de inicio por seis. Vemos igualmente como el mayor drag influye enormemente en el consumo de combustible. Acelerar en transónico con un ID de 150 trae consigo un aumento del consumo de 6,5 veces más, unas 1.600 libras de combustible.

Y esto cobra relieve en el segundo y tercer supuesto, vemos como el segundo supuesto con un peso máximo superior al tercero supuesto, tiene unas cifras mejores, porque básicamente el tercer supuesto adhiere unos tanques externos vacíos, es decir, solo por el drag, aún no contabilizando peso alguno por el combustible externo, es suficiente como para tener unos peores registros. Moraleja: entrar en combate aunque sea llevando en ese momento los tanques externos completamente vacíos de combustible, no te va ayudar, deberías  desprenderte de ellos.

Generalmente los datos facilitados por compañías de aviones de 4º generación corresponde con índices de drag 0, salvo que indiquen lo contrario, es decir en configuraciones limpias, las cuales solo son útiles en exhibiciones aéreas, pero que en combate esos datos tienen poca utilidad.

Los datos facilitados en aviones furtivos son datos muy reales, es decir, datos que no variarán en situaciones de combate, al ir las cargas en el interior de los mismos y no afectarles el índice de Drag sobre las cargas suspendidas en su interior. Y esto afecta sobremanera no solo a la capacidad de aceleración sino a la de giro del avión como vemos a continuación.





La aceleración transónica del F-35 A de 0,8M a 1,2 M con carga de combate interna provista de dos misiles aire-aire 120 y dos bombas de 2.000 libras cada una, sería de no más de 63 segundos según requerimientos del programa, esto puede parecer mucho a primera vista, si atendemos a los 36 segundos del F-16 CJ, sin embargo, eso sería en configuración limpia, si se desea comparar en igualdad, nos tendríamos que ir básicamente al supuesto número cinco de la figura 1, que ya situarían al F-16 en la barrera de los 200 segundos. La película cambia y mucho, cuando comparamos supuestos similares. A la guerra no se va en configuración limpia, salvo que seas un furtivo. Ésta es otra de las grandes ventajas de la 5º generación sobre la 4º, sus prestaciones no se degradan independientemente de la carga interna. Algo de gran valor en cuanto a cinemática pura.

Es tal la influencia del drag en los aviones que incluso entre las 3 versiones del F-35 se notan sus efectos. Así tenemos que la versión B y C, disponen de un KPP (parámetro de capacidades clave) de aceleración transónica mucho mayor que la versión A. 

-F-35 A aceleración 0.8 - 1.2 Mach < 63 segundos

-F-35 B aceleración 0.8 - 1.2 Mach < 81 segundos

-F-35 C aceleración 0.8 - 1.2 Mach < 118 segundos


Gráficamente podemos visualizar el porqué con las siguientes imágenes superpuestas, primero con la sección transversal de las 3 versiones:



Via elementsofpower.blogspot.com



Y posteriormente con la vista superpuesta cenital de la versión A y la C:


Via elementsofpower.blogspot.com



No solo el drag influye sobre la gobernabilidad o maniobrabilidad de un avión sino que también influye en algo tan importante como el radio de combate. Un ejemplo es el siguiente gráfico, dónde vemos como el simple hecho de cargar 2 bombas GBU-24 de 2.000 libras a mayores, hace caer el radio de combate de un F-16C desde las aproximadamente 480 millas náuticas a unas 250 millas náuticas, prácticamente la mitad siguiendo un vuelo de perfil alto que en teoría debería beneficiar el consumo del combustible. En la realidad, el drag lo estropea todo.

Measuring effects of Payload and Radius differences of Fighter Aircraft, Willian Stanley, Gary Liberson 1993 pág 23


Para terminar, mediante otro ejemplo gráfico dónde se muestran las prestaciones de un Superhornet dotado del propulsor GE F414 armado en cuatro posibles configuraciones aire-aire a distintas altitudes, observamos como la adicción de un tanque externo de combustible de 480 galones y un pod de navegación más 3 misiles 120 a mayores le hace caer de 1.6 Mach a alrededor de 1.2 Mach aún usando postquemadores. En configuración aire-tierra es muy probable que el avión difícilmente pueda pasar de 1.0 Mach usando postquemadores, lo mismo sería aplicable al F-16, todos aviones supersónicos, pero que con cargas aire-suelo se convierten en subsónicos. El drag asociado al uso de cargas externas, afectan a la capacidad de aceleración, a la velocidad máxima o al giro sostenido, aspectos importantes en la cinemática de un avión de combate.


Un avión de 5º generación con las cargas internas no está afectado en esta merma de capacidades siempre y cuando no coloque armamento a mayores en pilones externos, algo que tampoco sería lógico pues afectaría a su furtividad y sería solo para usar en situaciones de total superioridad aérea sobre el enemigo.


Referencias: