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El avión de pasajeros Jump-Jet y el futuro del vuelo VTOL que nunca despegó


En el número de junio de 1993, Mecánica popular informó del inicio de la aviación comercial coqueteando con la idea de la tecnología VTOL. Ya en exhibición en aviones militares como el Osprey-22, los aviones VTOL teóricamente podrían eliminar la necesidad de pistas y funcionar más silenciosamente que un avión de pasajeros típico. El Laboratorio Aeroespacial Nacional de Toyko (NAL) ha comenzado a probar prototipos que llevarían la tecnología VTOL a un aeropuerto cercano a usted, lo que llevó a lo que ellos creían que era una “revolución de la aviación comercial global”. Si ha estado en un avión recientemente, ya sabe que el futuro nunca despegó.


Eres diseñador de aviones. Tu misión es diseñar el transporte de pasajeros de nueva generación. Las especificaciones requieren una capacidad de 100 pasajeros, una velocidad máxima de Mach 0.8, un alcance de 1,600 millas y un techo operativo de más de 32,000 pies. Su avión debe ser confiable, muy cómodo y lo suficientemente silencioso para cumplir con las regulaciones de ruido cada vez más estrictas. Por último, su avión debe ser lo suficientemente económico para competir con los aviones comerciales actualmente en servicio.

Oh, sí, una última cosa. Su avión debe poder despegar y aterrizar verticalmente desde un sitio no preparado de más de 200 metros cuadrados, una pequeña fracción de la pista de un aeropuerto convencional.

Si está perplejo, no es el único. Durante décadas, los diseñadores nacionales y extranjeros se han dedicado a un esfuerzo continuo para desarrollar una máquina de este tipo: un avión comercialmente viable que combina el virtuosismo de un helicóptero en los saltos cortos con la velocidad, la economía y la comodidad de un avión de ala fija. En otras palabras, el santo grial de la aviación comercial.

Sin embargo, a pesar de muchos modelos prometedores, así como un puñado de prototipos y modelos de producción (más notablemente el Bell / Boeing V-22 Osprey que se está probando actualmente para el ejército de los EE. UU.), La mayoría de los aviones VTOL existentes y propuestos han sido maquinaria de propulsión. – Rotores basculantes, alas basculantes y otras aeronaves diseñadas para viajes cortos, cargas útiles pequeñas y velocidades bajas. Buenos aviones, en muchos casos, pero sin las especificaciones para competir con otros modos de transporte interurbano.

Si, por otro lado, tiene algunas ideas geniales, es posible que haya un trabajo esperándolo en Tokio. Allí, los diseñadores aeronáuticos del Laboratorio Aeroespacial Nacional (NAL) están trabajando para crear un avión de este tipo. Esta aeronave VTOL propuesta representa más que un ambicioso primer paso en la nueva tecnología de aviación. Masanori Endoh, jefe del programa de desarrollo VTOL de NAL, dice que la aeronave provocará una revolución global en la aviación comercial.

“Necesitamos construir este gran avión VTOL lo antes posible”, dice Endoh, “porque abrirá el horizonte para una nueva red de transporte aéreo adecuada para el siglo 21. Una vez que lo construyamos, no tendremos más. necesitan aeropuertos convencionales «.

El avión de Endoh aún no está en la pista. Varios obstáculos permanecen desenfrenados: presupuestos gubernamentales de I + D cada vez más ajustados y algunos desafíos de diseño, incluido el desarrollo de un ventilador de ascensor potente y confiable. Además, incluso en el escenario más optimista presentado por Endoh, el primer vuelo del prototipo VTOL terminado no sucederá hasta dentro de una década, al menos. Pero hay motivos para ser optimistas. Según Endoh, los estudios preliminares del sistema de propulsión de la aeronave propuesta, junto con el análisis por computadora y las pruebas en el túnel de viento de su estructura, sugieren que la aeronave NAL cumplirá con todos los criterios descritos anteriormente.

No hace falta ser un genio aeronáutico para apreciar el encanto de un transporte VTOL. Pregúntele a cualquier viajero desafortunado que haya luchado contra el tráfico pesado en la ruta hacia y desde aeropuertos remotos, o que haya esperado el despegue en una pista llena de gente.

avión

Popular Mechanics / John Berkey

Los urbanistas han tratado tradicionalmente de reducir estos retrasos agregando nueva infraestructura: más pistas, terminales más grandes y autopistas de mayor capacidad alrededor de los aeropuertos existentes. Pero las nuevas construcciones de este tipo rara vez brindan más que un alivio temporal. Además, la limpieza de áreas boscosas y el vertido de concreto nuevo se están volviendo menos atractivos a medida que aumenta la competencia por la tierra en áreas metropolitanas abarrotadas. Este enfoque ya es bastante impráctico en un país como Japón, donde el tamaño pequeño, el terreno montañoso y la alta densidad de población hacen que la nueva infraestructura sea particularmente indeseable. Por lo tanto, a los expertos en aviación no les sorprende que los transportes VTOL aparezcan por primera vez en Asia.

Los diseñadores japoneses esperan acortar los retrasos en los viajes aéreos centrándose en nuevo hardware en lugar de nueva infraestructura, no mejorando el acceso a los aeropuertos centralizados, sino construyendo una nueva clase de aviones capaces de volar desde pequeños aeropuertos descentralizados ubicados a poca distancia del centro de la ciudad. En los Estados Unidos, la Administración Federal de Aviación ya ordenó estudios de viabilidad de vertipuertos para 15 ciudades diferentes.

El costo del vuelo en el avión VTOL propuesto sigue siendo incierto. Endoh predice un precio del billete un 20% más alto que el de un avión convencional. Otros expertos en aviación no son tan optimistas. Según uno, el costo será tan alto inicialmente que los únicos usuarios del avión serán los turistas ricos y las empresas que envían bienes de alto valor. Sin embargo, dice, se espera que los precios caigan pronto a niveles competitivos.

Como se prevé actualmente, el transporte NAL VTOL utilizaría un fuselaje estrecho y sin cola, con patos gemelos saliendo del fuselaje justo detrás de la cabina y alas estrechas y drásticamente barridas ubicadas muy a popa. En lugar de una cola convencional, el diseño requiere aletas de una forma similar pero proporcionalmente mucho más grandes que las que se encuentran en algunos aviones de pasajeros existentes. Se dice que la aeronave, totalmente equipada con tecnología avanzada fly-by-wire, mide aproximadamente 100 pies de largo y una envergadura de 79 pies.

mecánica popular

Durante el vuelo vertical, el aire de purga a alta presión de las etapas del compresor del motor central fluye hacia las cámaras de combustión del ventilador de elevación. Para el empuje hacia adelante, el aire de purga se redirige a los ventiladores de crucero.

Jeff Mangiat

Esta configuración inusual ayuda a garantizar la estabilidad, especialmente durante el funcionamiento a baja velocidad y vertical cuando la falta de velocidad horizontal hace que las superficies de control sean ineficaces.

“Probamos muchas formas”, recuerda Endoh. “Sin embargo, para reducir el riesgo de balanceo, cabeceo y guiñada incontrolados, teníamos que asegurarnos de que el centro de gravedad estuviera en los motores de elevación. Esto nos dejó con un solo diseño posible. »

Para reducir el peso y aumentar la rigidez, el equipo de NAL planea modelar prácticamente todos los elementos estructurales, incluidas las aspas del ventilador y los componentes del motor, a partir de compuestos ultraligeros de fibra de carbono.

La aeronave estaría propulsada por un sistema único que utilizaría ventiladores de crucero y de elevación impulsados ​​por un trío de centrales eléctricas de turbina montadas en la parte trasera. Para el empuje hacia adelante, el aire de purga de alta presión tomado de los compresores de estos tres motores «principales» se dirigiría a un gemelo de 7 pies. fanáticos de los cruceros. En el centro de cada ventilador hay una cámara de combustión donde el combustible se mezcla con el aire de purga y se enciende. Los gases en expansión harían girar una turbina conectada al ventilador mediante un engranaje reductor, produciendo 24.000 libras de empuje por lado.

“Para reducir el riesgo de balanceo, cabeceo y guiñada incontrolados, teníamos que asegurarnos de que el centro de gravedad estuviera en los motores de elevación. Esto nos dejó con un solo diseño posible.

Durante el despegue y el aterrizaje verticales, el aire de purga se elevaría a seis pies. rotores incrustados en las alas y protegidos en las superficies superior e inferior de las alas por persianas controlables. En conjunto, estos rotores de 200 palas, cada uno moldeado a partir de una sola pieza de fibra de carbono y cada uno equipado con su propia cámara de combustión, turbina y caja de cambios, generarían más de 130.000 libras de empuje.

Quizás sorprendentemente, los ventiladores del ascensor no deberían ser particularmente ruidosos.

“Debido a que la velocidad del ventilador es muy baja y el sonido producido por el mecanismo del ventilador de una pieza será extremadamente agudo”, predice Endoh, “nuestro avión será más silencioso que un helicóptero convencional. Sin embargo, para estar seguros, usaremos revestimientos amortiguadores de sonido en el interior de las rejillas. Esto no supondrá ningún problema medioambiental. «

A medida que la nave se eleva, las rejillas funcionan en conjunto con varios pequeños chorros de aire de purga de baja presión colocados en múltiples puntos a lo largo del fuselaje para maximizar la maniobrabilidad y la estabilidad a baja velocidad. Para facilitar la transición del vuelo vertical al vuelo horizontal, el piloto redirige gradualmente el aire de purga de los rotores a los ventiladores de crucero, cerrando simultáneamente las aletas para sellar los rotores. El cierre de las lamas aumenta el área efectiva de las alas, aumentando así la sustentación aerodinámica. (De hecho, el piloto puede sellar fácilmente las rejillas y hacer que el avión despegue utilizando un despegue rodante convencional).

Una vez que la nave alcanza altitud, uno de sus motores principales se apaga. Las aletas permanecen cerradas y los ventiladores de elevación se desactivan hasta que la aeronave reduce la velocidad para un aterrizaje vertical.

Si alguno de los tres motores principales falla en vuelo, los dos motores restantes deberían producir suficiente potencia para mantener el avión en el aire. ¿Qué pasa si uno de los ventiladores del ascensor se apaga? En ese caso, dice Endoh, el ventilador directamente al lado o en diagonal frente al ventilador averiado se apagaría instantáneamente para preservar un patrón de empuje equilibrado. El avión podría volar, dijo, con solo cuatro ventiladores de ascensor en funcionamiento.

¿Qué pasa si un tercer ventilador se detiene? «En ese caso», dijo un científico de la NASA Ames, «está esperando un choque controlado». «

A pesar de este tipo de bromas, los expertos en aviación familiarizados con los conceptos básicos del enfoque NAL están debidamente impresionados con la seguridad y versatilidad de la aeronave propuesta, sin mencionar su aparente viabilidad. Siempre que Endoh pueda persuadir a su gobierno de que el proyecto merece financiación adicional, espere escuchar más de los diseñadores de NAL.

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