#4 - Bell-Boeing V-22 Osprey

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V-22 Osprey: la cúspide de la polivalencia aérea

¡Bienvenidos a la cuarta edición de Aerotech Insights!

En este nuevo episodio, hablaremos del V-22 Osprey y la problemática que engloban sus modos de funcionamiento y sus rotores basculantes en VTOL.

El continuo avance del sector militar

El V-22 Osprey es una aeronave de aplicación militar, catalogada bajo la designación de convertible, que se caracteriza por su capacidad de despegue y aterrizaje, tanto en vertical (VTOL), como en horizontal para distancias relativamente cortas (STOL), y que destaca por ser el primer avión de rotor basculante de producción del mundo.

Confeccionado a partir del diseño del modelo experimental Bell XV-15, el Osprey es un vehículo que combina la funcionalidad de un helicóptero convencional de transporte de carga y pasajeros, con las capacidades de alta velocidad en crucero y el amplio radio de largo alcance de un avión turbohélice, todo ello gracias a sus dos rotores, los cuales cuentan con tres palas, un motor turboeje y una góndola de transmisión.

En concreto, este convertiplano tuvo su origen en un proyecto que se conoce como Joint-service Vertical take-off/landing Experimental (JVX), un programa iniciado por el United States Department of Defense en 1981, y respaldado por los fabricantes Bell Flight y Boeing , que tuvo el objetivo de perfilar la creación de un medio aéreo militar con rotores basculantes.

La creación del programa JVX

El programa anteriormente descrito comenzaría sus líneas de trabajo mediante varios concursos destinados para empresas del sector aeroespacial, que se designarían finalmente en 1983, a través de los cuales se procedería a las etapas de diseño y experimentación, culminando con el primer vuelo del aparato en 1989.

Seguidamente, se iniciaría una fase de pruebas anormalmente amplia, que dejaría al vehículo sin entrar al servicio hasta principios de los años 2000, con el periodo de entrenamiento para tripulantes, y el gran esperado ingreso en prestación regular en 2007, tras innumerables alteraciones debidas a las complejas características buscadas en su modelo base, y en las distintas modificaciones que serían utilizadas dependiendo del tipo de operaciones a realizar o del ejército al que irían encaminadas, como es el caso del modelo CMV-22B, especializado en transporte desde portaviones para la US Navy .

El principio de una pesadilla y el inicio de la controversia

Con la presencia de más de 500 proveedores y empresas del sector, la construcción de los cuatro primeros prototipos del V-22 se completó para finales de la década de los 80, dando inicio a un periodo de pruebas a lo largo del año 1989, con el objetivo de realizar evaluaciones de las actuaciones, tanto en modo VTOL, como en fase de despliegue completo del ala en vuelo, así como de sus operaciones a nivel marítimo, en buques y portaviones de la US Navy .

La primera de las controversias que surgiría con este nuevo vehículo sería ocasionada a principios de la década de los años 90, con varios accidentes de sus prototipos, obligando a rediseñar y replantear el desempeño de la aeronave, reduciendo su peso en vacío y simplificando los procesos de fabricación, dando lugar al modelo V-22B, que incorporaría varias mejoras en la seguridad de los rotores.

Tras la reanudación de los vuelos de prueba, se comenzaría con una nueva etapa de desarrollo de ingeniería de fabricación, en la que se ajustarían los prototipos previamente construidos a las características del nuevo modelo, amplificando aspectos como la envolvente de vuelo o la distribución de las cargas.

Sin embargo, la manufacturación de las siguientes unidades se realizaría de manera lenta y descoordinada, provocando retrasos sucesivos en la entrega de ejemplares para continuar con las pruebas necesarias, generando graves aumentos en los costes iniciales del programa.

En concreto, el presupuesto de desarrollo se estableció inicialmente en 2.500 millones de dólares en 1986, aumentando a un estimado de 30.000 millones en 1988, algo que sería ampliamente superado para 2008, puesto que se alcanzarían los 27.000 millones de dólares y se necesitarían casi otros 27.000 para alcanzar los números de producción planificados.

En términos unitarios, el coste de producción de cada unidad de V-22, estimado actualmente en más de 70 millones de dólares, ha resultado ser considerablemente mayor en comparación con los helicópteros con capacidad equivalente que pretendían ser sustituidos, como el Sikorsky CH-53E Super Stallion, el cual puede transportar un mayor volumen de carga útil y equipos pesados, por la mitad de precio.

¿Cuáles son los problemas principales del V-22 Osprey?

El Osprey es una aeronave categorizada por la Federal Aviation Administration como vehículo de sustentación motorizada, que funciona principalmente en modo de despegue y aterrizaje vertical como un helicóptero, posicionando las góndolas de sus motores Rolls-Royce T406 (AE 1107C) en un ángulo de 90º respecto al suelo, con las hélices apuntando al cielo, y en un ángulo paralelo a la horizontal, para el desempeño del vuelo en crucero, algo que se logra rotando los motores de posición en tan solo 12 segundos, convirtiéndolos en propulsores de tipo turbohélice.

Además, este avión cuenta con partes retráctiles diseñadas para facilitar su almacenaje o transporte en vehículos mayores y en los hangares de los portaviones, donde el aprovechamiento del espacio es esencial, algo que se ve sustentado principalmente debido a las propiedades de los materiales que conforman de forma mayoritaria el fuselaje, formado en un 45% por materiales compuestos, los cuales proporcionan a la estructura diversas características relativas a la elasticidad y la ligereza.

La utilización de este tipo de motorización conlleva los siguientes inconvenientes:

1. No se puede aprovechar el fenómeno de la autorrotación, es decir, el estado de vuelo cuando el rotor principal del aparato está movido por el aire que va de abajo a arriba, para realizar aterrizajes de emergencia, debido a la presencia de las hélices, por lo que una pérdida de los motores o una entrada en pérdida aerodinámica repentina pueden causar un accidente fatal, tal y como se produjo a finales del pasado año en una base estadounidense en la isla japonesa de Yakushima, provocando la muerte de todos sus ocupantes.
2. Existen complicaciones a la hora de configurar los rotores basculantes debido a su funcionamiento mecánico, su eficiencia aerodinámica y el procedimiento que se establece para posicionar los motores entre las fases de despegue, vuelo nominal y aterrizaje, algo para lo que las tripulaciones deben estar bien entrenadas, para evitar posibles catástrofes como la mencionada anteriormente.
3. La complejidad del diseño de los propulsores se ve reflejada en su difícil conexión con el resto de los sistemas a bordo de la aeronave, como los de aviónica, navegación y control, que deben estar correctamente enlazados, para asegurar la coordinación y el desempeño del vehículo.
4. El modo VTOL cuenta con varios factores críticos que afectan a la seguridad de los tripulantes, no solo por las cargas y tensiones a las que se ve sometido el vehículo durante los despegues y aterrizajes verticales, sino también a la dependencia de las condiciones meteorológicas, que pueden perpetrar cambios inesperados en la distribución de pesos y el equilibrio de la aeronave.
5. Por último, y en relación a los anteriores apartados, es necesario destacar el mantenimiento intensivo al que se debe someter a cada una de las unidades de este convertible, el cual es además especializado, por lo que los costes del despliegue en acción de esta aeronave implican el establecimiento de una serie de procedimientos específicos, acompañados de una formación a los profesionales requeridos, así como de una disponibilidad alta y constante de piezas de repuesto, que pueden generar tiempos de espera e inactividad amplios, afectando al cumplimiento de las misiones de manera eficiente.

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V-22 Osprey: the pinnacle of aerial versatility

Welcome to the fourth edition of Aerotech Insights!

In this new episode, we will discuss the V-22 Osprey and the issues surrounding its operating modes and tiltrotors in VTOL.

The ongoing progress of the military sector

The V-22 Osprey is a military aircraft classified under the designation of convertible, known for its vertical take-off and landing aptitude (VTOL), as well as its ability to operate in short take-off and landing situations (STOL), and notable for being the world's first production tiltrotor aircraft.

Derived from the design of the experimental Bell XV-15 model, the Osprey combines the functionality of a conventional cargo and passenger transport helicopter, with the high-speed cruising capabilities and long-range radius of a turboprop airplane, all thanks to its two rotors, which have three blades, a turboshaft engine and a transmission nacelle.

Specifically, this tiltrotor originated from a project known as the Joint-service Vertical take-off/landing Experimental (JVX), a program initiated by the United States Department of Defense in 1981, and supported by manufacturers Bell Flight and Boeing , with the goal of developing a military aerial vehicle with tiltrotor capabilities.

The establishment of the JVX program

The previously described program would initiate its lines of work through various competitions aimed at aerospace companies, which would be designated in 1983, through which the design and experimentation stages would proceed, culminating in the first flight of the aircraft in 1989.

Subsequently, an unusually extensive testing phase would begin, leaving the vehicle out of service until the early 2000s, with the training period for crews, and the much-awaited regular service entry in 2007, after countless alterations due to the complex characteristics sought in its base model, and the different modifications that would be used depending on the type of operations to be carried out or the military branch they would be directed to, such as the CMV-22B model, specialized in carrier onboard delivery for the US Navy .

The beginning of a nightmare and the onset of controversy

With the presence of over 500 suppliers and companies in the sector, the construction of the first four V-22 prototypes was completed by the late 1980s, marking the beginning of a testing period throughout 1989, with the goal of evaluating its performance, in VTOL mode, as well as in full wing deployment in flight, along with the maritime operations on US Navy ships and aircraft carriers.

The first controversy surrounding this new vehicle arose in the early 1990s, following several accidents involving its prototypes, unleashing a redesign and reevaluation of the aircraft's performance, leading to weight reduction, and streamlining of manufacturing processes, resulting in the creation of the V-22B model, which incorporated several rotor safety improvements.

After test flights resumed, a new phase of manufacturing engineering development began, fine-tuning previously constructed prototypes to match the characteristics of the new model, enhancing aspects like flight envelope and load distribution.

However, subsequent unit manufacturing proceeded slowly and disjointedly, causing successive delays in delivering specimens for further necessary testing and resulting in significant cost overruns from the program's initial estimates.

Specifically, the development budget was initially set at $2,5 billion in 1986, jumping to an estimated $30 billion by 1988, a figure vastly surpassed by 2008, when costs reached $27 billion, with nearly another $27 billion needed to meet planned production numbers.

In unit terms, the production cost of each V-22, currently estimated at over $70 million, has proven considerably higher compared to equivalent-capacity helicopters it aimed to replace, such as the Sikorsky CH-53E Super Stallion, which can carry a larger payload of equipment and heavy loads at half the price.

Which are the main issues of the V-22 Osprey?

The Osprey is an aircraft classified by the Federal Aviation Administration as a powered lift vehicle, which primarily operates in vertical take-off and landing mode like a helicopter, positioning its Rolls-Royce T406 (AE 1107C) engines at a 90º angle to the ground, with the propellers pointing upwards, and at a parallel angle to the horizontal for cruise flight, achieved by rotating the engines into position in just 12 seconds, turning them into turboprop-type thrusters.

Additionally, this aircraft features retractable parts designed to facilitate its storage or transport on larger vehicles and in the hangars of aircraft carriers, where space optimization is essential, a feature mainly supported by the properties of the materials composing the fuselage, which are 45% comprised of composite materials, providing the structure with various characteristics related to elasticity and lightness.

The use of this type of propulsion entails the following drawbacks:

1. The inability to take advantage of autorotation, that is to say, the flight condition when the main rotor of the aircraft is driven by the air moving from bottom to top, for emergency landings due to the presence of the propellers, thus a loss of engines or sudden aerodynamic stall can result in a fatal accident, as occurred late last year at a U.S. base on the Japanese island of Yakushima, resulting in the death of all occupants.
2. Complications arise when configuring the tilting rotors due to their mechanical operation, aerodynamic efficiency, and the procedure established for positioning the engines between take-off, nominal flight, and landing phases, requiring well-trained crews to avoid potential disasters as mentioned earlier.
3. The complexity of the propulsors' design is reflected in their challenging integration with the rest of the aircraft's onboard systems, such as avionics, navigation, and control, which must be properly linked to ensure coordination and performance of the vehicle.
4. The VTOL mode has several critical factors affecting crew safety, not only due to the loads and stresses experienced by the vehicle during vertical take-offs and landings, but also the dependence on weather conditions, which can cause unexpected changes in weight distribution and aircraft balance.
5. Lastly, in relation to the previous points, it is necessary to highlight the intensive maintenance required for each unit of this convertible, which is also specialized, resulting in high deployment costs for this aircraft, implying the establishment of specific procedures, accompanied by training for required professionals, as well as constant availability of spare parts, which can lead to extended wait times and downtime, affecting the efficient fulfilment of missions.

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