¿Por qué la velocidad máxima de los aviones de combate actuales es inferior a la de los años 60 y 70?

La velocidad era la vida en el combate aéreo hasta la era de los aviones a reacción. Los pilotos que se convirtieron en generales de la Fuerza Aérea en los años cincuenta habían aprendido su oficio en los años treinta, cuando la velocidad era la cualidad más deseada en un caza. Naturalmente, la capacidad de ser más rápidos que cualquier adversario era muy importante para ellos. Cuando se escribieron los requisitos para los nuevos aviones de combate en los años cincuenta, esos generales se aseguraron de que una velocidad máxima más alta fuera parte de la especificación.

Cuando esos aviones con capacidad supersónica se utilizaron en conflictos reales, sucedió algo muy sorprendente e imprevisto: casi nunca volaron supersónicos. Cuando la Fuerza Aérea, a fines de los años sesenta, acumuló los datos de vuelo de varios años de combate aéreo en la guerra de Vietnam, descubrió que todos los aviones habían acumulado solo minutos a Mach 1,4 y solo segundos a Mach 1,6 de más de 100 000 salidas de combate¹. Ni siquiera se voló Mach 1.8 en aviones que habían sido optimizados para Mach 2.4 (F-104, F-105, F-106A, F-4D/E y F-111).

Para citar de este estudio por qué la velocidad se mantuvo mayormente subsónica:

La primera de estas razones radica en la relación entre la velocidad de giro y el número de Mach de una aeronave. […] En combate, cada piloto tiene la tendencia a volar su avión para maximizar su velocidad de giro. Así gana una posición angular sobre el enemigo que, a su vez, puede permitir el lanzamiento de un misil o el disparo de un arma. […] Se puede ver que el impulso del piloto de maximizar su velocidad de giro indefectiblemente llevará su número de Mach a alrededor de 0,7. Por lo tanto, si el piloto se va a unir al combate, […] su velocidad inevitablemente caerá a velocidades subsónicas. […] Tenga en cuenta también que incluso si la velocidad de giro se mantiene constante mientras aumenta la velocidad, […] el radio de giro y el factor de carga aumentan, trayendo consigo problemas cada vez mayores para mantener al enemigo a la vista.

La segunda razón dada en el estudio es el radio de combate dramáticamente más pequeño (la distancia máxima que el avión puede viajar desde su base, lograr un objetivo y regresar) una vez que el avión comienza a volar a velocidades supersónicas. Incluso para volar a la arena de combate, la velocidad supersónica rara vez era ventajosa. Northrop estudió una multitud de casos de intercepción y descubrió que las velocidades por encima de Mach 1.1 casi nunca eran útiles porque reducían severamente el radio de combate.

Ahora necesita saber que la velocidad máxima es un factor importante en el diseño del fuselaje. Volar a Mach 2+ requiere tomas de aire pesadas y complejas , una estructura resistente al calor, alto barrido de ala y motores pesados ​​de derivación baja . Todo esto degrada las cualidades de combate a alta velocidad subsónica, que era donde más se usaban esos aviones. Construir en ellos la capacidad para Mach 2+ los hizo peores para lo que realmente se usaban.

A partir de finales de los años sesenta, esta lección se incorporó a los diseños más nuevos, como el F-16 . Stealth nuevamente disminuyó la importancia de la capacidad supersónica, y la velocidad máxima sostenida del F-22 se redujo de Mach 1.8 a Mach 1.6 para reducir la carga de calor en el borde de ataque del ala compuesta.

¹ Fuente: Estudio de caso de Northrop F-5 en el diseño de aeronaves , AIAA Professional Study Series

Porque si bien la velocidad es una de las características importantes, no es la única característica importante (o hoy, no la más importante) de un avión de combate.

Una cosa importante a tener en cuenta es que las condiciones en las que se alcanza la velocidad máxima son condiciones bastante restrictivas: gran altitud, configuración limpia y postquemadores, que rara vez están disponibles juntos en combate.

La evolución de las velocidades de los aviones de combate en general y de los aviones de combate en particular fue el resultado directo de las experiencias de varias fuerzas aéreas en situaciones de combate a lo largo de los años.

• La razón principal del énfasis en la velocidad de los aviones de combate (al menos en los casos iniciales) se debió a las lecciones aprendidas en la Segunda Guerra Mundial, donde la velocidad adicional puede marcar la diferencia entre la vida y la muerte.

• Después de que los aviones se volvieron supersónicos, la principal razón para tener altas velocidades es para interceptar aviones enemigos. La velocidad era el requisito más importante en el caso de los aviones de combate (interceptores) hace medio siglo, ya que el interceptor tenía que poner al intruso bajo su alcance (ya fueran cañones o misiles guiados). Sin embargo, el avión (interceptor) rara vez volaba supersónico y, a medida que avanzaban los radares y los misiles, la importancia de la velocidad disminuía.

• Otra razón importante fue escapar de los misiles, especialmente los misiles tierra-aire. La idea era que el avión pudiera correr más rápido que el misil, al menos a una altitud. Sin embargo, esta fue una causa perdida desde el principio, ya que los misiles volaron mucho más rápido que el avión. Por ejemplo, los misiles S300 tienen una velocidad máxima de > Mach 7, más del doble de la del avión para el que fue diseñado. Si bien se requiere que los aviones de combate estén en servicio durante décadas, los sistemas de misiles se pueden desarrollar y desplegar mucho más rápidamente, borrando cualquier ganancia de velocidad lograda. Como resultado, la mayoría de los aviones inicialmente configurados para ataques de alta velocidad y gran altitud cambiaron a tácticas de penetración a baja altitud.

• A medida que la USAF absorbía las lecciones aprendidas en los años sesenta, se hizo dolorosamente obvio que los aviones de combate pasaban cada vez menos tiempo a velocidades muy altas (> Mach 1.5), mientras que la mayor parte del combate se convirtió en combates cuerpo a cuerpo (en parte debido a reglas de enfrentamiento), donde la maniobrabilidad es más importante que la velocidad.

• Además, las experiencias de las guerras de Vietnam y Yom-Kippur, donde los aviones occidentales se enfrentaron a los sofisticados sistemas de defensa aérea soviéticos, reforzaron el hecho de que la supresión de las defensas aéreas enemigas es más importante que la velocidad.

• El diseño de la aeronave para la velocidad agrega penalizaciones significativas en el diseño de la aeronave: la necesidad de tomas de aire complejas (lo que agrega peso), materiales de alta temperatura (lo que aumenta los costos y los requisitos de mantenimiento), motores de alta potencia y baja derivación (que generalmente no son eficientes en combustible). ). Esto degrada los otros parámetros de desempeño de la aeronave en régimen de baja velocidad (alta subsónica), donde se lleva a cabo la mayoría de las operaciones.

• Cuando quedó claro que el avión de combate no va a derrotar a un sistema de defensa aérea en virtud de la velocidad (o la maniobrabilidad para el caso), la estrategia cambió nuevamente: en primer lugar, no ser detectado por el sistema. Este énfasis en el sigilo redujo aún más la importancia de la velocidad (solo se puede calentar tanto el fuselaje compuesto y los posquemadores para la velocidad son como encender una antorcha en la oscuridad para los sensores IR) y mejoró la de la aviónica y los sensores. Hoy, el énfasis está en encontrar al enemigo antes de ser detectado y disparar el primer tiro.

• Otra razón para la alta velocidad es que los aviones de combate también se utilizaron para reconocimiento, donde la velocidad es importante (nuevamente, para escapar de los misiles). Sin embargo, los satélites se han hecho cargo de la mayoría de estas tareas, reduciendo aún más la necesidad de velocidad.

El epítome de los aviones de combate rápidos es el Mig-25 soviético, que podía alcanzar velocidades superiores a Mach 3. Sin embargo, esta velocidad tuvo un costo: las altas temperaturas experimentadas (~ 300 ° C) significaron que se tuvo que usar acero para fuselaje, que requería sistemas complejos de aislamiento y refrigeración para la aviónica y la aeronave rara vez volaba a esta velocidad debido al sobrecalentamiento del motor y problemas de control.

Los resultados (del entrenamiento y la simulación) hasta ahora parecen indicar que los aviones modernos (quinta generación) (como el F-22) funcionan mejor que sus contrapartes de cuarta generación (como el F-15) en la mayoría de las situaciones, 'derribándolos' antes. incluso ser detectado.

Un factor importante es que el modelo de amenazas cambió cuando los misiles balísticos intercontinentales reemplazaron a los bombarderos como el principal mecanismo de lanzamiento de armas nucleares en el transcurso de la década de 1960.

Llegar unos segundos tarde a la hora de interceptar un bombardero que lleva varias toneladas de bombas convencionales no es bueno y fácilmente podría resultar en unos pocos cientos de muertes. Hay una gran diferencia entre eso y retrasarse unos segundos en detener un bombardero que lleva armas nucleares cuando una sola bomba puede matar a decenas o cientos de miles de personas.

De particular relevancia para su pregunta, la velocidad mach 3.2 del MiG-25 fue impulsada por la amenaza del programa de bombarderos de penetración nuclear mach 3.0 B-70 . Estados Unidos canceló los planes para producir en masa y desplegar bombarderos B-70, pero los soviéticos mantuvieron vivo el MiG25. Si bien el MiG25 se implementó por primera vez unos años después de que se cancelara el programa XB70; EE. UU. continuó construyendo dos XB-70 y los utilizó con fines de investigación a lo largo de los años 60. No se podía descartar la amenaza de un futuro bombardero supersónico basado en la investigación; y un interceptor significativamente más rápido que el Mach 2 B58 habría seguido siendo una parte valiosa de sus planes de defensa nuclear hasta que el B58 se retiró en 1970.

La velocidad máxima no es la mejor velocidad para luchar. Hay que tener en cuenta dos factores principales en un luchador:

1. Carga alar .
2. Relación empuje-peso (relación T/W).

La carga alar es el peso del avión distribuido en el área total del ala. Esto le dice a la capacidad de la aeronave para girar de forma sostenida.

La relación T/W es la cantidad de empuje desarrollado por el motor dividida por el peso de la aeronave, y esto indicará la aceleración que la aeronave puede lograr en vuelo nivelado. Cuando se tienen en cuenta ambas cosas, se obtiene un segundo parámetro que es la capacidad de ascenso de la aeronave ( tasa de ascenso ).

Cuando se desarrolló la guerra aérea en la WW1 / 2 , una regla general para los pilotos de combate fue que la velocidad/altitud era la vida. Si examina la aeronave como un sistema físico de energía, tiene dos tipos de energía a su disposición: la energía cinética (la tasa real de movimiento de la aeronave) y la energía potencial, la altitud de la aeronave. Cuando buceas, conviertes la energía potencial en energía cinética. Cuando asciendes, conviertes la energía cinética en energía potencial, hasta el punto en que tu motor es lo único que ingresa energía al sistema (así llegas a la etapa en la que finaliza la tasa de ascenso instantáneo y comienzas a ver la tasa de ascenso sostenida de la aeronave) .

Cuando su avión gire, se ralentizará un poco y el aumento de la resistencia inducida generada por el giro disminuirá su velocidad ralentizada. En la jerga de los pilotos de combate, estás quemando energía. Hay dos (nuevamente) tipos de giro, instantáneo y sostenido.

Los estilos de lucha se dividieron en dos tipos: Turn and Burn y Boom and Zoom .

Girar y quemar significa que ambos luchadores intentan superar cada orden para llegar a su posición de las seis en punto para disparar, es una pelea horizontal en círculos. Boom and Zoom es una pelea de escalada en la que el avión posicionado más alto se sumerge en el otro para hacer un pase, disparar y luego volver a subir para no perder velocidad (y, por lo tanto, energía).

Rápidamente se adoptó el estilo boom y zoom. Los pilotos experimentados solo entraban en combate cuando estaban seguros de tener una altitud superior a la de sus enemigos, porque la altitud era una reserva de energía para explotar en el combate.

Un caza/piloto con estilo de girar y quemar disminuiría rápidamente la velocidad y no podría atacar ni huir de un avión posicionado más alto.

Hasta ahora tan bueno.

Después de la guerra, todos los esfuerzos continuaron para producir aviones cada vez más rápidos y aviones capaces de alcanzar grandes altitudes rápidamente. Esto tiene la doble ventaja de brindar una mejor posición a gran altitud y permitir que tales cazas se enfrenten a los bombarderos que se aproximan.

Todo cambió cuando se dispuso de mejores misiles y radares a bordo. No es que los combatientes actuales no necesiten poder pelear, sino porque el misil se convirtió en el principal elemento de combate. Dos tipos de misiles vienen a mi cabeza en esta etapa. AAM y SAM .

Los radares cada vez más potentes (incluso a bordo) significaban que el avión podría muy bien atacar cosas que están por encima de él, lo que significa que las tácticas de auge y zoom podrían salir mal. En segundo lugar, un radar permite ver al enemigo mucho antes de que se haga contacto visual, dando más tiempo para subir a una altitud similar, etc.

Si estás volando muy alto, serás visto en el radar enemigo a lo lejos, y los misiles dirigidos por esos radares vendrán de varias direcciones. Para ingresar al espacio aéreo enemigo, debe mantenerse bajo, donde la resistencia del aire es mayor y la mayoría de los aviones no pueden alcanzar las cifras de velocidad indicadas. (Ver F-111 o Su-24 por ejemplo).

Los bombarderos ya no volarán a niveles estratosféricos como el B-29 , por las mismas razones. Necesitan ingresar al espacio aéreo enemigo a baja altura para tener una posibilidad de sobrevivir. Si usan armas de separación, también volarán bajo. Entonces, si está escoltando a un grupo de bombarderos en una misión, o si está tratando de interceptarlos, no serán muy altos.

Cuando un radar a bordo intenta bloquearse contra un avión que vuela bajo, hay un problema. Los radares anteriores no podían hacerlo en absoluto. Las versiones más modernas (llamadas mirar hacia abajo/derribar) pueden fijar un objetivo contra el terreno, pero no con el mismo rendimiento que cuando miran hacia arriba. El desorden (ecos falsos) se elimina a través del software. Los detectores infrarrojos funcionan mejor a gran altura (donde el aire es más frío y un caza caliente es más visible), que contra el suelo caliente de abajo, y así sucesivamente.

Entonces, en general, el combate de combate en los teatros intensivos se llevará a cabo en un nivel medio o bajo, donde la velocidad es más lenta debido a una mayor resistencia. Incluso entonces, todos los aviones de combate tienen algo llamado velocidad de esquina, donde el avión es capaz de sostener sus giros más cerrados, y esas velocidades generalmente están lejos de ser la velocidad máxima.

Otro factor es el consumo del motor. Solo recientemente los aviones de supercrucero entraron en funcionamiento. Las aeronaves de cuarta generación no pudieron romper la barrera del sonido sin usar postcombustión, lo que aumenta la detectabilidad de la aeronave (debido a una mayor firma de calor) y el consumo de combustible.

El mismo avión que podría viajar 1000 km sin usar dispositivos de poscombustión, muy bien podría no ser capaz de hacer más de 300 km con el dispositivo de poscombustión todo el tiempo.

Tomando todas las cosas en cuenta, se prefiere un avión con más misiles, mejor radar y mayor tiempo de merodeo por encima de cazas como el British Lightning o el F-104 que tenían una velocidad y una tasa de ascenso muy altas, pero eran de patas cortas y cargaban solo un par de misiles.