EL MACH 1.0

Por:  Javier Sánchez Horneros

El P-51 y Bob Gilruth

En el anterior artículo (El Miles M.52) vimos muy brevemente la aportación británica a los estudios del fenómeno de la compresibilidad, fenómeno que hacía su aparición, en el caso de los pilotos de la RAF, en el velocísimo Supermarine Spitfire, caza derivado de un prototipo de avión de carreras y provisto de un ala de tipo elíptico, que frente a las alas rectas convencionales utilizadas por aviones de la época, presentan una serie de beneficios en vuelo (las fuerzas aerodinámicas sufridas son proporcionales según la sección) así como de desventajas (el ala entra en pérdida en todos sus puntos al mismo tiempo). Los pilotos americanos, que usaron configuraciones de ala de tipo recto, no eran ajenos a este fenómeno, muy al contrario: contaban con el P-38 y, un poco más adelante, con el P-51, como exponentes más conocidos y sufridos de este fenómeno. Contando con que ambos estaban diseñados según una misma hipótesis –el aire es incompresible-, es sin embargo curiosa la forma en que intentaban sobreponerse a los efectos de este fenómeno: el P-38 por su parte, contaba con un yoke de la época, de forma que el piloto emplease la fuerza de ambos brazos durante la realización de picados agresivos, antes de llegar a su Mach táctico. En cambio, el P-51, contaba con un ala de flujo laminar, que retrasa por su geometría el fenómeno de la compresibilidad, pero que también, dado que está especialmente diseñada para el vuelo a alta velocidad, hace que la entrada en pérdida se produzca antes.

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P-51D, “Glamorous Glennis”, el avión de Charles “Chuck” Yeager. (USAF).

Fue gracias al P-51 que Bob Gilruth, un joven ingeniero de la NACA que en el futuro se convertiría en el primer Director de Vehículos Tripulados de la NASA, propuso un experimento de campo para estudiar el fenómeno de la compresibilidad. Por entonces, en los años 1940, ya existían túneles de viento supersónicos a disposición de la mencionada NACA; el problema era la obtención de datos en el que se conocería como régimen transónico: en el intervalo de velocidad que va desde aproximadamente Mach 0.75 hasta Mach 1.25, la fiabilidad de los datos obtenidos decrecía exponencialmente, hasta que dejaban de obtenerse por completo desde Mach 0.85 hasta Mach 1.20 aproximadamente. Para poder avanzar en las investigaciones del fenómeno de la compresibilidad, se lanzaban desde bombarderos B-29, cuerpos de alta penetración aerodinámica provistos de equipos de medida que transmitían datos a estaciones en tierra conforme iban ganando velocidad en caída libre. A su vez, serían seguidos durante la caída por radares de la US Navy. Sin embargo, no era suficiente.

 

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B-29 en vuelo. (USAF).

Algunos pilotos de P-51 Mustang afirmaban que, en un picado y con el sol en una determinada posición respecto de alguna de las alas, se veían ondas recorrer la superficie del extradós. Gilruth, propuso anclar una sección de reducidas dimensiones y de inmejorable aerodinámica al extradós del ala de flujo laminar del Mustang, de forma que quedase perpendicular a esta. El avión estaría provisto de equipos de medidas que registraran el valor de la velocidad (recordemos que según Bernoulli, la diferencia de velocidades entre intradós y extradós crea una diferencia de presiones, siendo especialmente interesante ver qué velocidad se lograba en el extradós en un P-51). El Mach táctico del P-51 es de aproximadamente Mach 0.75, pero el piloto de ensayos lo llevó hasta su Mach crítico: Mach 0.81. Los resultados obtenidos tras un vuelo de altísimo riesgo fueron sorprendentes: la velocidad en el extradós era de Mach 1.4 o lo que es lo mismo, una sección del avión era ampliamente supersónica, mientras que el resto era subsónica. ¿Por qué?. El fin de la Segunda Guerra Mundial contestaría a esta respuesta.

El avión de ensayos experimental MX-524

Finalizada la Guerra, con el descubrimiento de los estudios alemanes sobre la compresibilidad entre otros, resurgió el concepto de avión de ensayos a gran velocidad en la NACA. Dos corrientes de pensamiento principales se simultanearon, ambos de dos pesos pesados en la organicación, John Stack y Ezra Kotcher:

  • John Stack, un aerodinamicista que en 1933 ya había propuesto un avión de ensayos de alta velocidad (teniendo en cuenta las limitaciones de esa época claro está) deseaba llevar a cabo ensayos en la región transónica de la envolvente de vuelo, empleando un turborreactor, tecnología que pese a haber sido probada, realmente estaba dando sus primeros pasos en los años 1940.
  • Ezra Kotcher, ingeniero de la USAAC, en cambio, dada su experiencia con el P-59, aconsejaba el empleo de un motor cohete que le permitiera impulsarse por el espacio aéreo a gran velocidad sin pérdida de empuje.

Dicho de otra forma, Stack deseaba una permanencia de vuelo dentro del régimen transónico elevada, con el único fin de recolección masiva de datos. Kotcher y el Ejército, un avión capaz de llegar a Mach 2.0 o que se acercase al máximo a ese valor (y esto sin siquiera haber superado o alcanzado el Mach 1.0). Dado que “el Ejército pondría el dinero y definiría el avión”, la discusión acabó: se contactó con Bell Aircraft para desarrollar el proyecto MX-524, lo que dio lugar al pistoletazo de salida del Experimental Sonic-I o XS-1, conocido comúnmente como X-1. Stack no se rindió, sino que contactó con la USNavy, con éxito: por parte de la NACA, se desarrollaría el Douglas D-558.

El XS-1

Sin embargo, el Ejército fue prudente y contrató para el X-1 a la NACA como consultor. Desde el principio, se fijaron una serie de parámetros fijos e inamovibles: un peso de 500 libras en equipo electrónico de medida y un valor de factor de carga límite de 18 Gs. Las discrepancias se originaron en el diseño del ala.

Desechando la utilización de alas en flecha (pese a que a finales de 1946 y principios de 1947 ya se conocían los beneficios de esta en el vuelo a alta velocidad, tanto por la obtención de los estudios alemanes como por el desarrollo de estudios propios por parte de un matemático de la NACA, Robert T. Jones), las diferencias de opinión se originaron en cuanto al espesor: Stack y Gilruth coincidían en que el espesor del estabilizador horizontal sería menor que el del ala, con el objeto de evitar que todas las superficies de sustentación sufriesen el fenómeno de la compresibilidad a la vez. En cambio, Stack proponía un espesor del ala de un 12%, mientras que Gilruth abogaba por un 5%, argumentando la mayor penetración aerodinámica de esta. Finalmente, se construyeron dos alas para dos aviones X-1: una de un 8% (que se montaría en el X-1-1 que volaría la USAF) y otra de un 10% (en el X-1-2, que volaría la NACA).

En ambos casos, la planta de empuje sería un motor cohete construido por Reaction Motors y que proporcionaba aproximadamente 6.000 libras de empuje, empuje constante a cualquier altura, a diferencia de si se hubiera empleado un motor a reacción. Dado el corto tiempo de vuelo de un avión propulsado por este tipo de motor, y con el objetivo de aprovechar el tiempo de vuelo al máximo, el X-1 se lanzaría desde un avión, un B-29, una vez que este hubiera alcanzado una cierta altitud operativa.

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X-1-2 hacia 1949. (NASA).

Charles E Yeager

El Capitán Charles E. Yeager era un doble As de la Segunda Guerra Mundial, con 12,5 victorias confirmadas en el Teatro de Operaciones Europeo, siendo el primer piloto de combate en derribar un reactor en un avión de pistón. Algo más, e incluso decisivo para su carrera, se le añadía a sus hazañas: el ser uno de los dos únicos pilotos militares americanos que, tras ser derribado durante una misión y protagonizar una espectacular evasión por los Pirineos cargando con un compañero herido y en una situación límite, consiguió volver a su escuadrón en Inglaterra y participar de nuevo en la Guerra, sin ser enviado a los Estados Unidos, como era la costumbre, por el temor de los mandos de que fuera derribado de nuevo, capturado por los alemanes y, previo interrogatorio, confesase a estos las rutas y procedimientos de evasión a través de los Pirineos.

Tras la Guerra, a los pilotos que habían sido derribados se les ofrecía la posibilidad de elegir destino, fuera cual fuera este; Yeager, con la paga de un Capitán, recién casado y esperando sus primer hijo, decidió junto con su mujer, Glennis Yeager, que lo mejor era escoger un destino cerca de la casa de la familia Yeager, en Hamlin en donde Glennis podría ser atendida durante el embarazo; el aeródromo más cercano era el Campo Wright, por lo que Yeager pidió el traslado, desconocedor de que el Campo Wright era el centro principal de investigación y experimentación de la USAAC: la cuna de sus pilotos de ensayos y aviones prototipos.

Yeager fue destinado como Oficial de Mantenimiento, que en ese momento concreto implicaba una sola cosa: realizar lo que hoy en día se conocen como vuelos de pruebas una vez que el avión era reparado por cualquier motivo. En su autobiografía, Yeager llega a decir que “se bajaba de un avión para subirse en otro”. Pero había algo más: dada la corta vida de los motores a reacción de la época, los aviones P-80 habían de sufrir continuos overhauls, y el primero que los volaba recién salidos del hangar de mantenimiento, era Yeager, por lo que pronto se convirtió en el piloto con más experiencia en reactores de toda la USAAC, participando en eventos varios orquestados por la USAAC por todo el país.

 

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Charles “Chuck” Yeager posando con el X-1-1. (USAF).

Estos hechos no pasaron desapercibidos para el Coronel Albert Boyd, el oficial al mando de la sección de vuelos de ensayo, quien pronto invitó a Yeager a entrar en la Escuela de Pilotos de Ensayos, aun siendo conocedor de que Yeager no tenía educación universitaria a diferencia del resto de sus compañeros. Allí, Yeager conocería a Jack Ridley, con quien formaría un equipo sobresaliente hasta 1953, fecha en la ambos siguieron caminos distintos pero con contacto permanente, roto por la prematura muerte de Ridley en 1957.

En 1947, la USAAC decidió comenzar los ensayos en vuelo con el Bell X-1-1, avión que hasta ese momento había estado volando el piloto de ensayos de Bell, “Slick” Goodlin, quien cada vez pedía más dinero por sus vuelos, conforme se acercaba más y más al Mach 1.0. Para este proyecto, que estaba clasificado como alto secreto por razones obvias, Boyd entrevistó personalmente a sus pilotos junto con su Teniente Coronel, Fred Ascani. El favorito de Ascani era el piloto de ensayos “senior” del Campo Wright, pero el de Boyd era Yeager. Tras una entrevista de casi una hora en la que Boyd puso a prueba a Yeager, finalmente le confió sus pensamientos, diciéndole que era sin duda una misión extremadamente delicada y trascendental y que el hombre que la llevase a cabo, pasaría sin duda a la historia. Boyd era conocedor de que Yeager no había ido a la Universidad, y que durante el curso de piloto de ensayos, había dependido fuertemente de Ridley; más aún, estaba casado y era padre, requisitos que a Boyd para el proceso de selección, le parecían en cierta forma contraproducentes dado el alto riesgo de la misión. Dicho esto, durante la mencionada entrevista que duró una hora de reloj y con Yeager siempre en posición de firmes, Boyd le preguntó qué otros dos miembros elegiría para su equipo. La respuesta fue rápida: Ridley y Bob Hoover. Los tres, deberían ver el avión en las instalaciones de Bell y hablar tanto con Larry Bell, fundador de Bell Aircraft como con Dick Frost, ingeniero de Bell y también piloto de acompañamiento del X-1.

La barrera del sonido

Tras un briefing del avión, del que Jack Ridley salió completamente maravillado de las posibilidades del mismo, y una prueba del motor con el avión encadenado al suelo en las instalaciones de Bell por parte de Yeager, el Coronel Boyd formó el equipo: Yeager sería el piloto, Hoover el piloto de acompañamiento y Ridley el ingeniero del programa por parte del Ejército. Yeager y Hoover se sometieron a una serie de pruebas físicas extremas inéditas hasta la fecha, siendo el caso más curioso la despresurización a unos hipotéticos 100.000 pies en una cámara hiperbárica, que tenían como objeto el comprobar la excelente preparación y forma física de ambos frente a posibles complicaciones y situaciones que surgiesen duran el vuelo a gran altitud. Así, y tras un estudio exhaustivo del avión y sus sistemas, dieron comienzo los vuelos en el X-1-1 (recordemos que la USAAC, recién convertida en USAF, utilizaría el avión con menor espesor alar); los primeros eran vuelos de familiarización, con doble objetivo:

  • Habituar al piloto a ser soltado del B-29, con y sin combustible en los tanques: El B-29 tras el ascenso, iniciaba un picado para ganar velocidad y soltar al X-1, que por la delgadez de planos, entraba en pérdida a una velocidad considerable, muy cercana a la máxima a la que lograba el B-29 durante el picado.
B-29
EL X-1, semiembutido en la panza del B-29. (USAF).

 

  • Habituar al piloto al manejo del aparato, ejecutado mediante un yoke de grandes dimensiones en una cabina de baja visibilidad.
  • Habituar al piloto al aterrizaje a gran velocidad, sin combustible en los tanques y con un tren de aterrizaje extremadamente ligero, en los lagos secos del Campo Muroc, hoy B.A de Edwards, escenario que, siendo idóneo por sus características geográficas, sería idóneo para este proyecto.

De aquí, pasaron a los vuelos. Dado que se adentraban en la región de la envolvente de vuelo inexplorada, el “ughknown” como lo llamaban Yeager y Ridley, se acordó que se iría incrementando la velocidad gradualmente según la disposición de los científicos de la NACA, de forma que estos pudiesen analizar los datos de cada vuelo y diseñar el siguiente con el mayor margen de seguridad posible. Cada vuelo que aproximaba más al X-1 traía consigo mayores efectos de vibraciones y de bataneos, hasta que a una velocidad registrada en el según instrumentos de medida y Machmeter de 0.955 (posteriormente se descubriría que la velocidad real había sido de Mach 0.988), el elevador simplemente dejó de responder. Los tirones de palanca de Yeager no producían ningún cambio de actitud, recuperando el control al decelerar.

Ridley había estudiado el avión y sus sistemas concienzudamente, y se había percatado de que el estabilizador horizontal estaba conectado a un pequeño pistón accionado a través de una válvula solenoide. Este mecanismo permitía un ligero movimiento, limitado eso sí, del estabilizador horizontal, mecanismo que fue implementado en el Bell X-1 a instancia de Dick Frost, a modo de sistema de seguridad en vuelo. Ridley pensó que la onda de choque que se formaba en las cercanías de Mach 1.0 estaba enmascarando el movimiento del elevador, por lo que, si se utilizaba esta válvula solenoide en ese momento, el movimiento o deflexión extra sería la suficiente como para permitir el control del avión.

En el siguiente vuelo, tras la aprobación del procedimiento por el Coronel Boyd, se probó la efectividad de este sistema, con excelentes resultados. Finalmente, en el que sería el vuelo número 9 ejecutado el 14 de Octubre de 1947 y tras una sesión teórica extremadamente compleja, los ingenieros de la NACA pidieron a los miembros de la USAF el llevar el avión a Mach 0.97 (según el Machmeter). Por su parte, los integrantes del equipo de Yeager decidieron que si, se daban las circunstancias, irían a por el Mach 1.0. Ambos equipos de trabajo estaban, en cierta forma y según sus propias hipótesis, equivocados: el vuelo superaría el Mach 1.0.

Así, cuando el avión, con las cuatro cámaras de combustión encendidas, alcanzó una velocidad de Mach 0.98 en el Machmeter, este saltó de forma abrupta a Mach 1.0, saliéndose de la escala escasos segundos después (se había logrado una velocidad de Mach 1.07) y desapareciendo las vibraciones, el bataneo y en definitiva, las incomodidades experimentadas hasta el momento. Eyectando el combustible con morro arriba, se tomó sin novedad.

¿Por qué tanto la USAF como la NACA erraron en cuanto a la velocidad máxima a alcanzar, unos por exceso y otros por defecto?, la explicación es sencilla: por un error de calibración en la medida de la presión estática, normal habida cuenta de que era la primera vez en la historia que un avión se movía en esa región de la envolvente de vuelo. Asimismo, se llegó a la conclusión que la pérdida de control experimentada por Yeager a Mach 0.97 (Machmeter) se debía a la formación de una onda de choque en la misma bisagra del elevador.

Tras este histórico vuelo, se ordenó un silencio completo sobre el mismo, que duró varios meses; no obstante, los conocedores del mismo volaron en el X-1: Boyd, Ridley, Frost…siendo la velocidad máxima alcanzada cercana a Mach 1.5, precisamente por el mismo Yeager.

La retirada del servicio del X-1 supuso también el fin de una era, la era subsónica. Había comenzado la era supersónica.

 

Acerca de Javier Sánchez-Horneros Pérez

Javier Sánchez-Horneros Pérez
Javier Sánchez-Horneros Pérez es Ingeniero Mecánico, escritor técnico aeroespacial con obras publicadas por el Ministerio de Defensa y medios especializados, colaborador asiduo en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica, y piloto de ULM.

En la actualidad desempeña su labor diaria en el Flight Test Center de San Pablo (Sevilla), como Ingeniero de Ensayos en Vuelo en la rama FTI (Flight Test Instrumentation) en los llamados “Productos Propios” (C295) y colaborando cuando es necesario en el Programa A400M. Anteriormente ha trabajado como Ingeniero de Sistemas en el Programa A330 MRTT (Getafe), así como Ingeniero de Fabricación y Procesos de componentes aeroespaciales, en una compañía madrileña proveedora de componentes aeronáuticos para Airbus y Boeing, entre otros clientes internacionales.

Compagina esta tarea con la de escritor técnico aeroespacial, habiendo publicado bajo el sello del Ministerio de Defensa (Publicaciones de Defensa) dos obras:"Guiado de Misiles de Combate Aéreo en el Ejército del Aire (Sistemas y Tecnología)" (ISBN 978-84-9781-764-6. NIPO 083-12-151-4) en donde se repasan de forma divulgativa los diferentes métodos de guiado de misiles de combate aéreo y los sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos destinados a tal fin y“Desde el T-33 al Eurofighter. Los Aviones de Combate a Reacción en el Ejército del Aire” (ISBN 978-84-9091-040-5. NIPO 083-15-046-5) en donde se realiza un análisis exhaustivo a la creación, historia, aerodinámica, motores, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos de los reactores de combate que han servido en el Ejército del Aire. Compagina esta labor literaria con colaboraciones en la Revista de Aeronáutica y Astronáutica en donde realiza análisis técnico-divulgativos de diversos sistemas de armas.

Además, fue asesor técnico de sistemas aeroespaciales militares (aerodinámica, grupo motopropulsor, aviónica y sistemas de búsqueda y seguimiento de objetivos) hasta febrero de 2015, en el Museo del Aire de Madrid como integrante de la Asociación de Amigos del Museo del Aire, donde realizó múltiples publicaciones en su blog sobre aviones de combate, tecnología y sistemas asociados.

2 Comentarios

  1. Carlos Gómez-Mira
    Carlos Gómez-Mira García

    Como siempre interesantísimo artículo. En mis años mozos llegué a volar a Mach 2 en el Mirage III. Siempre me llamó la atención cómo a medida que aumentaba la velocidad, iban perdiendo efectividad los mandos, hasta el límite que a Mach 2 meter un pie casi a fondo apenas movía el avión, o incluso tirar totalmente de la palanca, apenas le metía “g” al avión. En Valencia perdimos un avión en un combate simulado, pues al pasar de supersónico a subsónico, recuperaban los mandos toda su efectividad. Un piloto saliendo de un picado, en vuelo supersónico, a mach 1,2 aproximadamente, tirando a fondo de la palanca, al disminuir la velocidad y pasar a mach 0,98 aproximadamente, al mando de profundidad, al recobrar toda su efectividad de golpe, metió el avión en un ángulo de ataque por encima de la pérdida, entró en ella y en una barrena plana inmediatamente, pasó de Mach 0,98 a velocidad cero en unos segundos. Al final no pudieron sacarla, era un biplaza, y tuvieron que saltar.

  2. Javier Sánchez-Horneros Pérez
    Javier Sánchez-Horneros Pérez

    Carlos, no tengo palabras para expresar mi agradecimiento a las tuyas, y más viniendo de un profesional como tú. Te perdiste la conferencia sobre pilotos de caza que dio Luis Martínez-Manso hará un mes aproximadamente en el Museo del Aire en la que por cierto, te mencionó muy para bien, y también contó una anécdota vuestra con un par de T-33 por medio. Fíjate, pensando un poco por encima en tu anécdota, con las nuevas funciones implementadas en los sistemas de control de vuelo actuales, llámese específicamente G-onset y dejando de lado todas las leyes de control de vuelo que impiden que el avión se salga de su envolvente, la subida de G´s hubiera sido gradual -dentro de la inmediatez de la maniobra- y con vuestra experiencia en todos los aviones que volábais (ya sabes, pilotos genuinos stick and rudder), creo que no hubiera pasado..seguramente se habría quedado al límite, pero no hubiera entrado en la pérdida. Lo curioso es que en pleno transónico y con un over-G que debió ser brutal, no hubiera pasado algo más grave al avión y a su tripulación en ese instante. Curiosísimo todo. Gracias por compartir tus anécdotas y de nuevo, por tus palabras.