“Barras y Estrellas”: ORIGENES DEL NORTHROP F-5 (2° Parte)

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Por: Jet Jet

Con unas prestaciones y una capacidad notables, el F-5 fue uno de los grandes aciertos de Northrop y un próspero producto de exportación de la industria aeroespacial estadounidense. Suministrado a veces bajo los términos del Programa de Asistencia militar (MAP) y otras veces comercializado en virtud del Foreign Militay Sales (FMS), llegó a operar con mas de 30 fuerzas aéreas alrededor del mundo; habiendo sido producido en un número superior a las 2600 unidades en los EEUU, Canadá, España, Suiza, Corea del Sur y Taiwán.

“Barras y Estrellas”: ORIGENES DEL NORTHROP F-5 (1° Parte)

Whitcomb experimentó con varios cuerpos asimétricos diferentes y combinaciones ala-cuerpo en un túnel aerodinámico transónico, y descubrió que el arrastre creado en estas formas estaba directamente relacionado con el cambio en el Área transversal del vehículo desde la nariz hasta la cola. La forma en sí no era tan crítica en la creación de arrastre, pero la tasa de cambio en esa forma tuvo el efecto más significativo. Al reducir el área de la sección transversal del fuselaje sobre la región donde se unían las alas, se le daba una forma al vehículo que podría reducir drásticamente la resistencia en un avión. Con este descubrimiento Whitecomb pudo desarrollar y profundizar la denominada “Regla del Área”, y su aplicación fue un gran avance en la aerodinámica supersónica resultando invaluable en todos los diseños que siguieron sus postulados.

El primer beneficiado del trabajo de Whitecomb fue el F-102 Delta Dagger. Los ingenieros de Convair rápidamente aplicaron el descubrimiento de Whitecomb y rediseñaron el fuselaje de la aeronave para crear la “cintura” o forma de “botella de Coca-Cola”. Esta modificación, permitió que el modelo superara fácilmente Mach 1 y alcanzara una velocidad máxima superior a Mach 1.5.

Por supuesto los ingenieros de Northrop hicieron lo mismo, y el fuselaje de “botella de coca cola” permitió distinguir claramente al N-156 de cada uno de los diseños anteriores de la compañía, incluido el prometedor N-102. Para el diseño inicial, se incorporó una regla de área para Mach 1.0. Sin embargo, las pruebas posteriores en el túnel de viento indicaron que la regla de área para Mach 1,15 era más efectiva y esta se convirtió en la forma final. Como nota de color, la regla de área se aplicó también a los depósitos suplementarios que el F-5A/B puede portar en los extremos alares ya que las pruebas de desarrollo en el túnel de viento transónico demostraron que a Mach 0,9 a 0,95 aparecían inestabilidades longitudinales si se utilizaban depósitos suplementarios con un perfil tradicional. El uso de estos depósitos diseñados conforme la “regla del área” trajo como consecuencia una mejora en el arrastre de crucero debido a la mejora en las características del flujo de aire en la punta del ala.

Con la aplicación de la “Regla de Whitecomb”, el nuevo diseño de Northrop podía lidiar con los problemas de arrastre transónico y disfrutaría de una genuina y creíble capacidad supersónica con solo una porción de la potencia motriz de otros modelos por esa época entrando en servicio. Por otra parte, se aplicó un gran esfuerzo para reducir la fricción y la resistencia del fuselaje al reducir su área frontal tanto como fuera posible, y al introducir otro concepto novedoso para la época como lo era la disposición de componentes en línea.

Para ello se desarrollo un diseño de cabina completamente novedoso, re ubicando la posición del piloto y de los equipos de abordo de una manera más óptima. En esa misma línea se encontraba el ala que se posicionó en el centro del avión, unida a una caja estructural de peso mínimo, e inmediatamente después  se encontraba la ubicación del motor. Este arreglo garantizaba que el área frontal se mantuviera mínima.

Al finalizar los trabajos, el N-156 tenía una sección frontal en la zona de la cabina de pilotaje que resultaba un 15% mas pequeña en comparación con otros modelos de la época.

El equipo de Gasich sumaba innovaciones al N-156 y decidió adoptar un nuevo enfoque para el avión, enfatizando las cualidades de vuelo de modo que el piloto pudiera utilizar sin inhibiciones la envolvente completa de rendimiento. Lo anterior suponía que el nuevo avión dispondría de un rendimiento significativamente mejorado en relación con un avión contemporáneo, con esencialmente la mitad del peso básico de despegue de un avión limpio.

En un modelo de las características del N-156, el ahorro de peso y la reducción de la resistencia aerodinámica eran tareas fundamentales, y para ello se trabajo aplicando un diseño y unas técnicas de fabricación que eran de vanguardia.

La estructura del fuselaje, tipo seminocasco, estaba construida con aluminio de la serie 7000, el cual se encuentra enriquecido con cinc, magnesio y cobre para mejorar su ductilidad, su soldabilidad y resistencia a la tensión y a la corrosión. Además de materiales avanzados, se usaron técnicas novedosas de construcción como el fresado químico, proceso que se aplico a casi la totalidad de los largueros y cuadernas; así como a los revestimientos externos del fuselaje. Las novedosas técnicas de construcción empleadas, sumadas a un uso intensivo de las estructuras alveolares lograron una significativa reducción del peso, como pocas veces se había visto.

En cuanto al conjunto alar, este presentaba una implantación baja y  configuración delta con cola atravesando la línea central del fuselaje. Contaba con una estructura multilarguero de aluminio fresado químicamente y la sección de la caja de torsión incorporaba costillas, largueros y recubrimientos superiores e inferiores mecanizados.

Para garantizar un control exitoso de la capa límite de arrastre (más tarde denominado control de flujo laminar) se recurrió a los estudios llevados adelante por Northtrop en el proyecto X-21A “LFC”, el cuál probó que si se le daba al ala un perfil determinados, podía lograrse un flujo laminar óptimo para el 100 por ciento de la cuerda de la superficie aerodinámica del ala, lo que resultaba en una reducción significativa en la resistencia a la fricción.

Al abordar el diseño de la planta alar, las cualidades de manejo se consideraron primordiales. El indeseable cabeceo que aparecía cuando la punta de las alas entraba en pérdida se corrigió dándole al conjunto alar un aflechamiento de 24° medido a un cuarto de la cuerda. Este valor, combinado con una relación de conicidad de 0,2 y un aflechamiento del borde de ataque de 32° proporcionó optimas características de resistencia supersónica. La selección de la relación de aspecto del ala representó una interacción entre un valor grande para una baja resistencia aerodinámica y un valor pequeño para un peso reducido del conjunto. De esta forma, la relación de aspecto del N-156 proporcionaba buenas características de resistencia, teniendo en cuenta el peso mínimo que se había previsto para la planta alar.

El programa de características de vuelo y reducción de la resistencia aerodinámica se realizó con un uso intensivo del túnel de viento, totalizando mas de 5500 horas de pruebas e incontables horas de análisis teóricos detallados. Este proceder, novedoso para la época, redundó en un significativo ahorro de dinero en herramientas y pruebas de vuelo innecesarias.

En el diseño original del ala del N-156 no se incorporaron slats ni las ya conocidas extensiones de borde de ataque (LERX) y solo montaba un pequeño alerón y un flap por conjunto. Los efectos de uno y otro dispositivos serían estudiados por los ingenieros de Northrop y finalmente se introdujeron en los últimos ejemplares del N-156F, los cuales pasarían a conocerse como prototipos YF-5A. El N-156T, que luego se convertiría en el T-38 Talón, nunca recibió las LERX ni los slats.

Luego de descartar el empleo de una unidad de cola en “T”, como consecuencia de los efectos aeroelásticos adversos que producía, el N-156 recibió dos estabilizadores convencionales que remediaron los inconvenientes del diseño en “T” y le daban al avión un excelente nivel de estabilidad direccional incluso a elevados ángulos de ataque, cercanos a la entrada en pérdida.

Si el trabajo de Whitecomb en la NACA resultó el santo grial para la aerodinámica del N-156, el turborreactor General Electric YJ-85 lo fue para su propulsión. En cierta forma hubo una sinergia entre ambos proyectos, la cual permitió una mutua retroalimentación y continuo desarrollo de uno y otro producto.

La génesis del J85 puede rastrearse hasta el otoño de 1953, cuando General Electric decidió agregar dos diseños mas a su departamento de motores además del T58 que ya se producía. Estos nuevos modelos constituían una aventura privada de GE, pero se pensaba que podrían tener diversas aplicaciones. Uno de esos diseños debía ser un pequeño turborreactor que sería adecuado para un jet ejecutivo, un entrenador militar o, equipado con un dispositivo de poscombustión, un caza pequeño.

Se trataba de un motor simple, pequeño y de apenas unas 300 lbs de peso. Un solo eje unía un compresor de flujo axial de siete etapas con la turbina de alta presión de dos etapas, la cual descargaba los gases de la combustión hacia una tobera simple y de geometría fija. Entre el compresor y la turbina había una cámara de combustión anular y de flujo directo. Se esperaba que la potencia del motor fuera de 2,000 lb en seco, pero por inconvenientes con el diseño del compresor apenas si rozaba las 1900 lbs  con una relación de compresión de 7:1.

Una vez que Northrop hubo tomado conocimiento de la existencia del que ya se conocía como J85, de inmediato advirtió sus obvias ventajas si era convenientemente modificado. Fiel a su tendencia a innovar, Northrop había acogido favorablemente para su avión la idea de “alta relación empuje peso”, novedosa para la época, y el J85 era la planta motríz que le permitiría lograr dicha idea.

Por su parte, General Electric vio en el N-156 una inmejorable oportunidad de desarrollar su nuevo motor potenciando sus características. A la larga la asociación con Northrop le reportaría innumerables beneficios y le permitiría demostrar el increíble potencial de desarrollo que tenía el J85.

A partir de 1956 se comenzó a avanzar con el desarrollo de una variante específica para el N-156. La versión J85-GE-1, primera que se  proporciono para su integración en el avión de Northrop, tenia ciertos problemas técnicos y estructurales que necesitaban ser solucionados. Estaba subpotenciada (no tenia posquemador y su compresor era de siete etapas aunque con modificaciones en las palas del rotor para lograr algo de potencia extra), su vida util era demasiado corta (30 horas) y algunos de sus componentes debían ser resituados. General Electric abordo la solución de estas cuestiones y el resultado final fue la variante J85-GE-5 dotada de posquemador, la cual elevaba su peso a 584 lbs y su empuje con poscombustion a 3850 lbf. Esta seria la planta motriz definitiva para el N-156T e incorporaba mejoras tales como un compresor de 8 etapas con palas de rotor de nuevo diseño, una sección de poscombustión, reposicionamiento de ciertos componentes como por ejemplo la caja de cambios (se la separo del motor) y modificaciones estructurales que mejoraron el funcionamiento del compresor y de la turbina.

A pesar de que modificar el J85 y adaptarlo al N-156 había sido una tarea ardua y compleja (el programa J85 casi se cancela en 1959 a raíz de los atrasos que experimentaban los trabajos para mejorarlo y su integración en el fuselaje del avión de Northrop fue difícil y obligo a rediseñar el fuselaje trasero), el diseño de General Electric mostró sus bondades y el trabajo de sus ingenieros fue brillante, logrando que el pequeño J85 evolucionara notablemente creciendo en tamaño, peso y potencia aunque sin perder sus excepcionales ratios de compresión y de relación potencia peso. Esto resulto un factor determinante para permitir al N-156 y sus derivados, disponer de unas prestaciones y capacidades que los acercaban notablemente a aquellas de aviones mucho mas complejos y onerosos de adquirir y mantener.

Para cumplir con las expectativas de Northrop, el N-156 logró una aerodinámica de avanzada y una motorización que le permitiría al avión sacar el máximo provecho de la misma. Los logros en materia de reducción de costos de operación y mantenimiento, serían finalmente el broche de oro con el cual se culminaría un trabajo de diseño brillante, digno de una empresa adelantada para su tiempo.

La idea de “costo de vida” esbozada por “Tom” jones era como un suerte de “as en la manga” con el cual Northrop pensaba convencer no solo a la USAF, sino también a multitud de clientes internacionales. Por supuesto, en el N-156 no fue para nada difícil lograr que el diseño decantara en un modelo de producción en serie que fuera capaz de reducir significativamente el costo necesario para operarlo durante toda su vida útil.

Para lograr esto, Gasich y su equipo se valieron de lo ya investigado y puesto en práctica con el N-102. En primer lugar, las técnicas y materiales usados para construir al N-156 permitieron que pudiera estimarse una prodigiosa vida útil de diseño de unas 15.000 horas de vuelo para el N-156T y unas 4000 horas para el N-156F, con un bajo requerimiento de horas/hombre de mantenimiento por salida. La construcción y el criterio de uso evitaba las tediosas PDM y solo hacían necesario un periodo de unas 400 horas entre inspecciones menores.

Por otra parte, la preponderancia dada a la facilidad y accesibilidad de las tareas de mantenimiento se materializó en un fuselaje con mas del 25 por ciento de su superficie compuesto por puertas o paneles extraíbles que permitían un generoso acceso a las estructuras y componentes internos del avión. Esta innovadora solución de mantenimiento, permitió un genero empleo de módulos livianos para albergar diferentes sistemas. Estos módulos tenían poco peso y eran fácilmente manejables para su instalación y retiro. Para garantizar que los técnicos no tuvieran inconvenientes a la hora de efectuar las tareas de mantenimiento y reparación, todos los componentes accesibles mediante paneles estaban situados a la misma profundidad y a la altura de los hombros, lo cual hacía que no fuera necesario empleas herramientas especiales o soportes de mantenimiento.

Los turborreactores J85 se encontraban montados uno al lado del otro, y se alimentaban por medio de dos pequeñas tomas de aire de geometría fija situadas a la altura de la cabina de vuelo- Se encontraban instalados en rieles superiores incorporados con un montaje simple de dos puntos que permitía a solo dos hombres instalarlos o removerlos con facilidad, y solo uno de ellos se arrancaba mediante un cartucho para luego por purga de aire disparar el encendido del segundo. Para simplificar aún más las tareas se utilizó un esquema innovador para reubicar la caja de accesorios que impulsa el generador y las bombas hidráulicas, de forma tal que estuviera montada en el fuselaje y no en el motor. Esto permitió una reducción significativa en el mantenimiento y el tiempo de verificación de estos sistemas después de un cambio de motor, ya que no  resultaba necesario desconectar o forzar estos sistemas, un procedimiento que puede causar muchos problemas. No era necesario remitir los motores, a una instalación especializada, para efectuar reparaciones de gran importancia, ya que estas podrían ser llevadas adelante con el herramental disponible en la propia base que albergara el avión.

Finalmente, el empleo mismo del avión se pensó para ser en extremo sencillo y sin generar grandes complicaciones a su tripulación o técnicos. De la misma forma que el N-102, alistar el avión para una misión era una tarea simple gracias a que el combustible se introducía mediante un único punto de llenado por presión ubicado en la parte superior del fuselaje y las operaciones de rearme, carga de oxígeno y reabastecimiento de combustible se podían llevar a cabo simultáneamente incluso por personal dotado de un somero nivel de entrenamiento para ello, lográndose un prodigioso tiempo de 7 minutos y medio de preparación entre misiones.

En términos de costos, mientras sistemas como el F-89, F-4 o F-104 imponían una tendencia siempre en alza para el valor de las horas hombre de mantenimiento por hora de vuelo (entre 40 y 65 horas según el modelo), el N-156 se situaba incluso por debajo de los valores necesarios para operar un T-33 con tan solo 16 horas/hombre de mantenimiento.

Gracias a la innovación y nueva tecnología aplicada en el proyecto, Northrop había cumplido con creces su promesa de un caza de bajo costo y altas prestaciones, el cual traía esta idea del “costo de vida” que demolía paradigmas y planteaba la posibilidad real de contar con un caza moderno, innovador, de altas prestaciones y bajo costo de operación y mantenimiento.

El trabajo de Gasich y su equipo fue arduo, y no había dudas que tenía que ser un ganador. En enero de 1955, Northrop hizo su primera presentación al gobierno de los EE. UU. de un avión supersónico táctico basado en el concepto de “costo de vida”. La propuesta apuntaba a dos versiones designadas N-156F, un caza monoplaza, y N-156T, un entrenador biplaza. Por esa época la Fuerza Aérea abrió un concurso para un “entrenador TZ” supersónico que reemplazaría al envejecido jet subsónico T-33 que entonces estaba en servicio. Luego de que tanto el N-156F como el N-156 T fueran sometidos a mejoras adicionales, en en junio de 1956 la USAF se decidió por el N-156T, y autorizó la construcción de dos prototipos llamados de aviones “YT” y una célula de pruebas estáticas. En octubre de 1956 se evaluaron de manera formal las maquetas a escala real que había fabricado Northorp y se aprobó el diseño bajo la designación de TZ-156. El diseño y la fabricación de herramientas comenzaron en diciembre y la Fuerza Aérea redesignó el avión como “T-38” y le dio el apelativo de “Talon”. Ese mismo mes se recibió el visto bueno para la producción de un pedido inicial de cuatro aviones T-38A y el primer prototipo del YT-38 fue transportado en camión desde Hawthorne a la Base de la Fuerza Aérea Edwards, donde comenzó las pruebas de taxi en marzo de 1959. El primer vuelo se realizó el 10 de abril con Lew Nelson en la cabina de pilotaje.

Para Northrop la decisión de la USAF fue una victoria a medias, ya que ésta, tal y como había pasado con el N-102, rápidamente descartó al N-156F; el modelo que mejor personificaba el espíritu del programa N-156.

Sin dejarse desalentar, aún a pesar de que los trabajos relativos al T-38 consumían la mayor parte de los recursos de ingeniería y fabricación disponibles, se decidió continuar con el desarrollo del N-156F como una aventura privada de la empresa, y para principios de 1958 la USAF tuvo la oportunidad de evaluar un mock up del modelo el cual tenía  evidentes diferencias respecto del diseño que se mostrara en 1955.

A pesar de las características del N-156F la USAF no consideró la incorporación del modelo, aunque concluyó que podría usarse como un caza barato para aquellos aliados que quisieran construir una fuerza aérea más moderna a un precio accesible. Luego de las evaluaciones, se firmó un contrato con Northrop para construir tres prototipos N-156F. Los tres aviones recibirían los números de serie de la Fuerza Aérea 59-4987, 59-4988 y 59-4989 y además debería producirse una célula para pruebas estáticas.

El primer prototipo 59-4987 rodó por primera vez fuera del hangar de producción el 30 de mayo de 1959 y de inmediato se envió a Edwards AFB para que se programara su primer vuelo. Ante de ser remitido a Edwards, Northrop exhibió el modelo a las delegaciones provenientes de 40 países extranjeros con el nombre de “Freedom Fighter”. El modelo se promocionó agresivamente, incluso iniciándose conversaciones con SABCA en Bélgica, Fokker en los Países Bajos, Fiat en Italia y Fairy Aviation en el Reino Unido para la producción en serie licenciada en el extranjero.

Finalmente, el 30 de julio de 1959, menos de cuatro meses después de que volara el prototipo del YT-38, el primer N-156F despegó desde Edwards y se hizo al aire. En ese primer vuelo, el prototipo estuvo propulsado por un par de turborreactores General Electric J85-GE-1 sin poscombustión que erogaban casi 2100 libras de empuje máximo. A pesar de la falta de empuje del motor (General Electric trabajaba a destajo para lograr la versión J85-GE-5 que tendría posquemador), el avión rompió la barrera del sonido en un suave picado durante su primer vuelo.

Inesperadamente, los países europeos rechazaron la propuesta de Northrop de una producción licenciada y optaron en su lugar por el F-104 StarFighter de Lockheed (el primero en hacerlo fue Alemania, quien en marzo de 1959 firmo un contrato para producir de manera local una variante especial del caza de Lockheed) .  Luego, una vez que estuvo listo el prototipo numero 2, la USAF decidió suspender la fabricación del tercer prototipo ya que entendió que las pruebas que restaba llevar adelante no justificaban producir una nueva célula. Northrop paralizó el programa N-156F, y por un momento pareció que el modelo no tenía viabilidad dentro o fuera de los EEUU.

A pesar de lo adverso del panorama, en 1960 el US Army decidió evaluar el avión de Northrop, ya que se encontraba en la búsqueda de una aeronave que proporcionara apoyo cercano a las tropas en combate. El programa se reactivo y a mediados de 1961 el prototipo 94-4987, con los colores del US Army, fue enviado a Pensacola, Florida, para tomar parte de una serie de evaluaciones. El avión superó con creces las pruebas, e incluso demostró altos niveles de disponibilidad operativa y capacidad para operar en condiciones espartanas. Pero en un nuevo revés para el N-156, el Departamento de Defensa de los EEUU le denegó al US Army la jurisdicción necesaria sobre semejante sistema de armas y se canceló el programa de búsqueda.

Como con el N-102, el gobierno americano le daba la espalda a la innovación, para la cual evidentemente aún no estaba preparada. Sin embargo, Northrop no se había equivocado cuando a principio de los 50´s se reestructuró corporativamente y, al definir sus objetivos de negocios a largo plazo, consideró que el grueso de sus ingresos económicos debería venir de las ventas internacionales.

En 1958 los funcionarios de defensa estadounidenses evaluaron al N-156F, y  comenzaron a reconocer la lógica de comprar un nuevo avión más adecuado a los programas de “asistencia mutua” para los países aliados. Esta idea se reflotaría nuevamente en mayo de 1962, cuando el Departamento de Defensa americano dio un paso sin precedentes al anunciar la selección del N-156F como arma defensiva para las naciones favorecidas bajo el Programa de Asistencia Militar (MAP).

En octubre de 1962, Northrop recibió un pedido de 20 millones de dólares y la autorización para producir versiones de uno y dos puestos del N-156F. Fueron designados F-5A y F-5B, respectivamente. Y con el fin de poner el primer F-5A en el aire lo más rápido posible, el prototipo No. 3 del N-156F se completó (94-4989) y voló por primera vez el 31 de julio de 1963 en la Base de la Fuerza Aérea Edwards con Hank Chouteause en los controles y con la denominación de YF-5A.

El F-5A/B comenzaría a suministrarse en grandes números a los aliados de EEUU, casi sin restricciones, y pasaría a conocerse como “Freedom Fighter”: el “Caza de la Libertad”. Fiel a su estilo, Northrop seguiría innovando y evolucionando a su criatura. Ello fue posible no solo por el propio esfuerzo, sino también por la inapreciable colaboración de General Electric que haría crecer sin precedentes a su J85 para propulsar a las nuevas variantes del F-5. Pero esa es otra historia…

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Bibliografía y fuentes consultadas

– AIAA Professional Study Series, “Northrop F-5 Case Study in Aircraft Design“, Presentado por William G. Stuart, Setiembre de 1978.

– Aviation Clasics “Northrop F5 Freedom Fighter” – Nº 19, 2013

– Avion Revue Internacional “F-5 Freedom Fighter” – Edición Especial

N-156 Limited War Fighter – Northrop Corporation – NORAIR DIVISION Hawthorne California – Bruchure institucional, 1960-1961

Northrop “An Aeronautical History”, A commemorative book edition of airplane designs and concepts, By Fred Anderson, Publicado por Northrop Corporation.

– “Northrop Grumman F-5 Tiger, Freedom Fighter, Tiger II and Tigereye plus T-38 Talon and F-20” by Andy Evans – Sam Publications

Northrop Corporation F-5A and F-5B, NB 62-73, Setiembre de 1962 -Brouchure

USAF T-38 Supersonic Jet Trainer –  NORAIR DIVISION – Hawthorne California – NB 61-62, Bruchure institucional.

– “The History of North American Small Gas Turbine Aircraft Engines”, by Richard A Leyes II and William A Fleming, AIAA y Smithsonian Institucion, 1999


 

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