¿Por qué los drones militares tienen una forma tan extraña?

El fuselaje delantero en forma de ballena cubre una antena parabólica para un enlace de datos de gran ancho de banda. Los operadores quieren recibir los datos de reconocimiento en tiempo real y, al darle a la antena el mejor lugar en el avión, podrá conectarse a los satélites de comunicaciones incluso cuando estén justo por encima del horizonte.

Dibujo recortado de Global Hawk ( fuente de la imagen )

La cola en V del Predator es una herencia de sus orígenes como un dron de la Marina que podía plegarse para encajar en un tubo de torpedo. Lea todo sobre esto en esta respuesta . Si desea obtener más información sobre los beneficios de una cola en V invertida, asegúrese de leer también la respuesta de KeithS.

En el Global Hawk, se eligió la cola en V para montar el motor sobre el fuselaje para una mejor protección IR desde abajo. Las dos superficies de la cola también protegen el escape del costado sin afectar negativamente la aerodinámica.

La configuración del Aerosonde se eligió después de que Tad McGeer experimentara en 1990 con el modelo RC de escala 1/5 del Perseus UAV de Aurora que una hélice montada en la cola estabilizaría el avión hasta el punto de que se volvió prácticamente incontrolable. Una hélice de empuje es más eficiente que una hélice de tractor, lo que también explica la ubicación de la hélice en el Predator.

Si te llama la atención cuántos de los UAV tienen colas en V: esto permite usar menos componentes (superficies, conectores, actuadores), y dado que todos se mueven por control de computadora, el problema de un mezclador mecánico no existe. La amortiguación más baja de las colas en V también se puede tolerar fácilmente, ya que el FCS puede reaccionar mucho más rápido y proporcionalmente a las perturbaciones que cualquier piloto humano. La menor maniobrabilidad posible con las colas en V tampoco es un problema: los UAV de reconocimiento vuelan en su mayoría en línea recta y nivelados.

Las alas de alta relación de aspecto ayudan a ampliar el alcance y especialmente el tiempo de vuelo de los drones de observación. Al igual que las alas de un planeador, el ala larga y esbelta ofrecerá la menor resistencia para una sustentación dada a una velocidad subsónica.

Al final, cada detalle ha sido elegido deliberadamente y se puede explicar bien. No existe ninguna conspiración para hacer que los UAV se vean diferentes a los Cessnas.

La principal razón por la que los UAV se ven como lo hacen es porque no necesitan transportar a un humano, o las pantallas de soporte vital y aviónica que necesitaría un humano. Los diseños, por lo tanto, se construyen en torno a lo que necesita la aeronave, principalmente equipos de comunicaciones y visualización/reconocimiento, además de los elementos estándar que necesita cualquier aeronave de combate (combustible, armas, propulsión, superficies de elevación/control). El uso de cola en V en prácticamente todos ellos es para reducir la resistencia; el avión no tiene que ser tan maniobrable como un caza tripulado, por lo que una cola doble con elevadores separados que se mueven por completo es superflua, y la menor resistencia aumenta el tiempo de vuelo para obtener más alcance o capacidad de merodeo.

Una consideración de diseño clave en cualquier aeronave es el equilibrio de peso. El 172, un diseño de avión bastante convencional, está diseñado para un alto grado de flexibilidad en su carga útil y distribución; el ala alta mantiene el centro de gravedad por debajo del centro de elevación para la estabilidad y, al mismo tiempo, la cabina y el área de carga están debajo del ala, por lo que los cambios en el centro de gravedad no provocan cambios tan drásticos en el manejo.

En un avión no tripulado, la distribución del peso es bastante estática; cualquier artillería está justo debajo de las alas y, por lo tanto, el centro de sustentación (el combustible también se coloca de manera similar), mientras que el contenido del fuselaje, además de la carga de combustible, apenas cambia entre vuelos. Eso permite que el diseñador de aeronaves permita que la forma siga a la función; la parte delantera de la aeronave tiene la mayor parte de la aviónica y las comunicaciones, contrarrestando el sistema de propulsión en la parte trasera, con el combustible en el medio. El tamaño y la forma relativos de estos tres elementos quedan a discreción del diseñador, y luego las alas simplemente se colocan en el punto de equilibrio o ligeramente por detrás.

El Predator RQ-1/MQ-1 es probablemente el que tiene un aspecto más extraño, porque además de tener una cola en V por razones de peso y arrastre, la cola está invertida:

La cola en V invertida tiene varias ventajas en un avión del tamaño del Predator y con la complejidad del sistema de vuelo total:

• Una superficie de timón colocada debajo del CG, como en el Predator, hará rodar el avión hacia la dirección de guiñada en lugar de alejarse de ella como lo haría un timón montado en la parte superior, lo que permite giros coordinados usando solo el timón.
• Este comportamiento de "timón rodante" también es prácticamente todo lo que necesita el RQ-1/MQ-1 en términos de control de balanceo, por lo que las superficies del timón pueden ser las únicas superficies de control en el avión, simplificando drásticamente el diseño de control de la nave. En teoría, la falta de alerones permite que las alas se puedan quitar o plegar fácilmente, pero el MQ-1 tiene pilones de armas con circuitos de disparo que complican esto. Los drones más grandes con alas más largas tienen un MOI más alto en el eje de balanceo, más de lo que los timones podrían superar por sí mismos, por lo que estos diseños tienen alerones (ya sea alabeados o con bisagras), lo que permite que la cola en V esté erguida para una mejor distancia al suelo en aterrizaje.
• Un viento cruzado en una cola en V invertida hará que el avión cabecee hacia arriba y ruede contra el viento en lugar de cabecear y alejarse de él con una cola en V vertical. Dada la alta latencia de comunicaciones entre Nevada y Kandahar, esto es una ventaja, ya que el avión generalmente tiene mucho espacio para volar mientras el piloto nota y reacciona a la perturbación, pero solo puede volar hacia abajo durante cierto tiempo antes de quedarse sin aire. Nuevamente, los aviones más grandes tienen MOI más altos y, por lo tanto, las perturbaciones son menores.
• La cola invertida enmascara un poco el ruido del motor del avión en vuelo desde ángulos de avance específicos. No mucho, pero todo ayuda cuando intentas permanecer oculto.
• Por último, la cola invertida protege la hélice más cara si el piloto raspa la parte trasera contra el suelo. El Reaper más grande tiene más distancia al suelo para permitir los pilones de armas, por lo que puede encenderse más al aterrizar sin involucrar a la hélice.

El RQ-2 Global Hawk en realidad no parece tan descabellado; tiene cierta semejanza con el A-10 Warthog:

Los dos aviones tienen perfiles de misión muy diferentes (el Global Hawk está pensado como el reemplazo del U-2 para la vigilancia y el reconocimiento a gran altitud, mientras que el A-10 es una venerable nave de apoyo aéreo cercano para matar armaduras), pero hay algunos elementos de diseño comunes , como el motor alto enmascarado por las superficies de la cola para reducir la firma IR, y las alas grandes y bajas que producen mucha sustentación (para un techo alto en el caso del GH, para carga útil y capacidad de supervivencia en el A-10).

Lo que no es similar entre los dos son los costos del programa; los A-10A originales tenían un costo unitario de solo $ 450,000 en los años 70, y con alas nuevas y una cabina de vidrio mejorada, los A-10C todavía cuestan solo $ 11 millones por marco. Los costes unitarios del Global Hawk, incluida la I+D, hacen que el programa sea el avión pequeño más caro hasta la fecha con 222 millones de dólares por unidad, eclipsando al F-22 de "coste no es problema" ( 182 millones de dólares).

Otros drones son mucho más rentables; el Predator cuesta solo $ 4 millones cada uno, mientras que el Reaper más grande y sofisticado cuesta $ 16 millones. Perder uno todavía duele, y la USAF ha perdido mucho, principalmente por error del operador (la latencia de comunicaciones inherente a pilotar uno de estos de forma remota desde una estación terrestre a medio mundo de distancia es considerable), pero el costo total de estos programas sigue siendo una miseria. en comparación con cualquier fuselaje tripulado en servicio hoy en día, con una reducción drástica de la relación entre el mantenimiento y las horas de vuelo y los costos totales por hora de vuelo. El A-10 es nuevamente el avión de combate tripulado más barato en servicio, con un costo de alrededor de $18,000 por hora de vuelo para operar (no se sabe qué incluye todo ese precio; probablemente alguna combinación de combustible, pago del piloto, repuestos, mantenimiento y artillería). El Predator cuesta solo $ 3600 por hora de vuelo y el Reaper alrededor de $ 4800. Nuevamente, el programa Global Hawk es bastante costoso de operar (alrededor de $ 49,000 por hora de vuelo) y esa es una de las principales razones por las que el U-2 Dragon Ladies que se suponía que reemplazaría Global Hawk todavía está volando (el U-2 cuesta solo alrededor de $ 30,000 una hora de vuelo).

¿Quién dice que tienen formas raras? Tal vez el 172 es raro...

La respuesta corta es que es el mejor diseño para la misión y la aplicación específica. El 172 está diseñado para transportar personas y entrenar a jóvenes pilotos, por lo que sus características reflejan que se ajusta bien a esa misión. Los drones deben transportar computadoras y equipos de vigilancia y, a menudo, una carga útil de armas y, muy específicamente, no personas. Los drones pueden tener una forma diferente a la de un avión GA, ya que la ergonomía del piloto realmente no importa. Por lo que vale, hay aviones que tienen la forma del dron que mencionas.

El Bonanza tuvo una larga carrera con el diseño de cola en V: ( fuente )

El nuevo Cirrus Jet tiene una cola en V y un fuselaje de burbuja muy parecido a los drones que fotografiaste: ( fuente )

La conclusión es que los aviones están diseñados para aplicaciones específicas y algunos aspectos del fuselaje se prestan a una misión determinada mejor que otros. Los planos reflejarán estas restricciones sobre la apariencia el 100 % del tiempo.

Nota al margen: la baja velocidad no es necesaria para un buen reconocimiento. El SR-71, que posiblemente fue uno de los aviones espía más exitosos, hizo un montón de reconocimiento desde 80000 pies a Mach 3 sin ningún problema .

Otro factor: las Cessnas, como prácticamente todos los aviones tripulados, están optimizadas para llegar al destino.

Los drones militares, sin embargo, están más interesados ​​en el tiempo de permanencia sobre el área de interés que en la rapidez con la que llegan allí. Esto da como resultado una optimización muy diferente a la de los aviones tripulados.

También tienen una visión muy diferente de la seguridad.

Tienes un avión que cuesta $ 500k. Hay una medida de seguridad que tiene un 5% de posibilidades de salvar el fuselaje durante su vida útil prevista, pero que cuesta 50.000 dólares . En un avión tripulado es casi seguro que se hará. En un dron no tendría sentido en la mayoría de los casos.

Para los empujadores de un solo motor con capota, cuando un piloto salta de un avión tripulado, puede golpear la hélice o la entrada en la parte trasera del avión. Esto requiere disposiciones especiales para la eyección, como caerse por la parte inferior o lateral de la aeronave, o la instalación de un asiento de eyección lo suficientemente potente como para garantizar que el piloto despeje la hélice. Todo esto agrega peso y costo. A muchos pilotos no les gusta esta idea.

Un dron no tripulado no tiene ese problema, los diseñadores de aeronaves son libres de elegir diseños sin tener en cuenta cómo saldrá un humano de él.

Una gran parte de la razón de la cabeza en forma de burbuja es la reducción de la resistencia. El área esconde una antena parabólica pero podría hacerse con muchas formas. Esta forma está diseñada para tener el área de superficie plana más pequeña posible para permitir que el aire fluya suavemente por la parte delantera de la aeronave en lugar de volverse interrumpido y turbulento al golpear una superficie plana. Esto conduce a una reducción de la resistencia y un mayor tiempo de vuelo por galón de combustible.

Los aviones Cessna y similares tienen un parabrisas que es básicamente una gran placa plana contra la que golpea el viento, y aunque funcionan muy bien para ver a través, en realidad agregan un poco de resistencia al avión. Sin embargo, la misión diseñada por Cessna hace que esto sea aceptable.

Si observa la parte inferior frontal de un Cessna típico de un solo motor, encontrará que está negro y aceitoso debido a los gases de escape y los residuos de aceite.

En los vehículos aéreos no tripulados de reconocimiento, colocar un motor en la punta (aunque hay algunos ejemplos, IAI Hunter, por ejemplo) hace que los residuos del motor se acumulen en las lentes ópticas de carga útil durante la operación y degradan el rendimiento de la carga útil.

Esta es la consideración principal para colocar motores (de pistón) en la parte trasera de los vehículos aéreos no tripulados de reconocimiento.

Se proporcionan relaciones de aspecto altas para actividades de reconocimiento como Lockheed Martin U3, que tenía una relación de aspecto de 15, pero en este tipo de aviones tripulados, el piloto debe ser muy hábil.