#9 - NASA AD-1
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Ames Dryden-1: el concepto del ala oblicua rotatoria
¡Bienvenidos a la novena edición de Aerotech Insights!
Después de unas largas y merecidas vacaciones de verano, retomamos el contacto con nuestra newsletter de LinkedIn con este nuevo episodio, el primero de la temporada 2024-2025 de UVigo Aerotech , en el que exploraremos los avances tecnológicos en aerodinámica, producidos por una de las aeronaves más revolucionarias, y casi desconocidas, de las últimas décadas del siglo XX.
La revolución continuada de la aerodinámica
En diciembre de 1979, en el NASA’s Armstrong Flight Research Center en Edwards, California, tendría lugar la primera prueba y el primero de los 79 vuelos totales del NASA Ames Dryden-1, una aeronave diseñada por la NASA - National Aeronautics and Space Administration y construida por Ames Industrial Co., que tuvo el objetivo de demostrar la singularidad de un ala oblicua en un pequeño avión de investigación propulsado por un reactor subsónico.
Esta idea surgió de los trabajos realizados por el ingeniero aeronáutico Robert T. Jones, del NASA's Ames Research Center, quien participó de forma activa en el desarrollo de conceptos de alas delta y en flecha, durante la Segunda Guerra Mundial, y los años posteriores, inmersos en la Guerra Fría.
Concretamente, el origen de este proyecto se basa en los estudios previamente perpetrados en ensayos en túneles de viento por el propio Robert, y su gran equipo de expertos ingenieros y técnicos, quienes habían obtenido una impresionante cantidad de resultados que reflejaban la genialidad de intentar construir un transporte supersónico con ala oblicua, logrando el doble de eficiencia de combustible que un avión con ala más convencional.
Para ello, el AD-1, también conocido posteriormente como el avión del ala “tijera”, debía disponer de un movimiento de rotación que lo hiciera girar sobre un pivote central, para poder colocar el ala de la aeronave en su ángulo más eficiente respecto a la velocidad de vuelo, permitiendo una configuración oblicua.
El inicio de la experimentación con alas oblicuas
En los inicios de la década de los años 70, la NASA - National Aeronautics and Space Administration desarrolló una aeronave, capaz de ser pilotada a distancia, para comenzar la experimentación de los estudios de Robert T. Jones.
Este vehículo, conocido como Oblique Wing Research Aircraft (OWRA), se emplearía en los años previos a la construcción del AD-1, para comprobar el funcionamiento de distintos mecanismos que facilitasen la adaptación de fuselaje central a la existencia de un ala asimétrica que pudiera girar entre 60 y 90 grados, alrededor de un punto central de la estructura principal del vehículo, sobre el que pivotase.
En consecuencia, el boceto final del vehículo se centraría en diseñar una aeronave subsónica lo más simple posible, que contara con un motor de hélice, para demostrar a escala pequeña los resultados obtenidos sobre los evidentes incrementos de eficiencia aerodinámica, al utilizar la configuración alar oblicua.
Una vez finalizada la construcción de este avión experimental, se realizarían una gran cantidad de pruebas, para someter a la estructura a los distintos cambios de posición del ala que se podrían llegar a producir durante el vuelo, simulando las condiciones, a bajas velocidades de diseño, a las que se enfrentaría más adelante cualquier vehículo supersónico que utilizase este tipo de tecnología.
Funcionamiento y características del AD-1
Durante sus 79 vuelos en total, el Ames Dryden-1 fue utilizado con la meta de demostrar unas capacidades de vuelo controlables y eficientes a distintos rangos de velocidades, para lo que fue necesaria una lenta evolución de la escala gradual del ángulo de incidencia respecto del fuselaje, tardando casi dos años en realizar pequeños incrementos, hasta llegar a experimentar con el posicionamiento del ala en una posición de 60 grados.
Resumidamente, si tenemos en cuenta las etapas de vuelo, las pruebas del AD-1 se realizaban de tal manera que, para el caso de velocidades bajas, es decir, en las situaciones de despegue y aterrizaje, la posición del ala se mantuviera completamente horizontal y perpendicular al fuselaje, como un ala convencional, proporcionando la máxima sustentación y maniobrabilidad posible.
En cambio, a velocidades superiores, a medida que la aeronave comenzara a ganar velocidad, se produciría el inicio del movimiento del ala, la cual se giraría poco a poco, mediante un mecanismo de engranaje accionado eléctricamente ubicado dentro del fuselaje, para ir aumentando el ángulo de incidencia oblicuo de la corriente, permitiendo reducir la resistencia aerodinámica y disminuyendo el consumo de combustible.
Finalmente, para velocidades de crucero subsónicas y supersónicas, la inclinación del ala se modificaría hasta alcanzar los 60 grados ya mencionados, con respecto al fuselaje del avión, obteniendo la eficiencia proporcionada bajo una configuración alar en flecha, reduciendo aún más el consumo de combustible y permitiendo aumentar el alcance de la aeronave.
En cuanto a algunas características de la aeronave en sí, sabemos que el vehículo se encontraba fabricado prácticamente por materiales compuestos, principalmente por fibra de vidrio, y disponía de una envergadura de casi 10 metros, por una longitud de algo más de 12 metros, con un peso bruto cercano a una tonelada.
Además, el vehículo era capaz de alcanzar los 320 kilómetros por hora, gracias a dos pequeños turborreactores TRS 18, del modelo TRS 18-046, que generaban en torno a 1000 newtons de empuje al nivel del mar, con un impulso específico de 33,4 miligramos de combustible por newton segundo.
Un legado destinado a retornar en las próximas décadas
La planificación de desarrollo de un avión supersónico de ala oblicua se vio facilitada gracias a la experiencia adquirida con el AD-1, a la creciente cantidad de datos procedentes de ensayos en túneles de viento y al incremento de simulaciones en dinámica de fluidos computacional sobre el rendimiento de las alas oblicuas.
Como ejemplo de ello, los ingenieros de la NASA - National Aeronautics and Space Administration consideraron que una configuración de ala oblicua sería adecuada para una aeronave cuya misión principal fuera la defensa aérea de la flota naval, sucediendo a los cazas interceptores de la época, después del fracaso y la cancelación del programa North American–Rockwell XFV-12A en 1981.
En consecuencia, nacería la evolución del programa OWRA, el F-8 OWRA, centrado en la idea de modificar un Vought F-8 Crusader para conseguir un vehículo de cualidades satisfactorias de manejo en condiciones de combate y características mejoradas, a baja velocidad, en comparación con los aviones de combate navales de la generación de la época, confirmando los beneficios analíticos y experimentados previstos de la configuración alar oblicua.
Sin embargo, este y otros programas serían aplazados completamente, debido a una serie de desafíos significativos que obligaron a cancelar numerosos proyectos ambiciosos de la NASA - National Aeronautics and Space Administration , las fuerzas armadas norteamericanas y algunas empresas líderes del sector.
No obstante, la evolución llevada a cabo en el conocimiento dentro de la aerodinámica, y su conjunción con el perfeccionamiento de los apartados estructurales de las aeronaves, sobre todo desde el punto de vista aeroelástico, ha revivido el fuego desde principios de los años 2000, con posibles retornos de programas que busquen aplicar este tipo de tecnología en nuevas aeronaves de sigilo y bombarderos de última generación, al más puro estilo de Skunk Works.
Principales desafíos a resolver en las alas oblicuas
Para acabar con este nuevo episodio de Aerotech Insights, os enumeraremos los principales desafíos que obligaron a suspender los programas de desarrollo de este tipo de configuraciones alares:
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(🇬🇧)
Ames Dryden-1: The Concept of the Oblique Rotating Wing
Welcome to the ninth edition of Aerotech Insights!
After a long and well-deserved summer break, we are reconnecting with our LinkedIn newsletter in this new issue, the first of the 2024-2025 season for UVigo Aerotech , in which we will delve into technological advancements in aerodynamics, driven by one of the most revolutionary, yet almost unknown, aircraft of the late 20th century.
The continuing revolution of aerodynamics
In December 1979, in the NASA's Armstrong Flight Research Center in Edwards, California, would take place the first test and the first of 79 total flights of the NASA Ames Dryden-1, an aircraft designed by NASA - National Aeronautics and Space Administration and built by Ames Industrial Co., which aimed to demonstrate the uniqueness of an oblique wing in a small research aircraft powered by a subsonic reactor.
This idea arose from the work carried out by aeronautical engineer Robert T. Jones, from NASA's Ames Research Center, who actively participated in the development of delta wing and swept wing concepts, during World War II, and the following years, immersed in the Cold War.
Specifically, the origin of this project is based on the studies previously carried out in wind tunnel tests by Robert himself, and his large team of expert engineers and technicians, who had obtained an impressive number of results that reflected the genius of trying to build a supersonic transport with an oblique wing, which could achieve twice the fuel efficiency of an aircraft with a more conventional wing.
To do this, the AD-1, also known later as the "scissor" wing aircraft, had to have a rotational movement that made it rotate on its central pivot, in order to place the aircraft's wing at its most efficient angle with respect to flight speed, allowing an oblique wing configuration.
The beginning of experimentation with oblique wings
In the early 1970s, NASA - National Aeronautics and Space Administration developed an aircraft capable of being remotely piloted to begin experimenting with Robert T. Jones' studies.
This vehicle, known as the Oblique Wing Research Aircraft (OWRA), would be used in the years prior to the construction of the AD-1, to test the operation of different mechanisms that would facilitate the adaptation of the central fuselage to the existence of an asymmetrical wing that could rotate between 60 and 90 degrees, around a central point of the main structure of the vehicle, on which it pivoted.
Consequently, the final sketch of the vehicle would focus on designing a subsonic aircraft as simple as possible, with a propeller engine, to demonstrate on a small scale the results obtained on the evident increases in aerodynamic efficiency, by using the oblique wing configuration.
Once the construction of this experimental aircraft was completed, a large number of tests would be carried out, to subject the structure to the different changes in wing position that could occur during flight, simulating the conditions, at low design speeds, that any supersonic vehicle using this type of technology would later face.
Operation and characteristics of the AD-1
During its 79 flights in total, the Ames Dryden-1 was used with the goal of demonstrating controllable and efficient flight capabilities at different speed ranges, which required a slow evolution of the gradual scaling of the angle of incidence with respect to the fuselage, taking almost two years to make small increments, until experimenting with the positioning of the wing in a 60-degree position.
In summary, if we take into account the flight stages, the AD-1 tests were carried out in such a way that, in the case of low speeds, that is, in take-off and landing situations, the position of the wing would remain completely horizontal and perpendicular to the fuselage, like a conventional wing, providing the maximum possible lift and maneuverability.
On the other hand, at higher speeds, as the aircraft began to gain speed, the wing movement would begin, which would be rotated little by little, by means of an electrically driven gear mechanism located inside the fuselage, to increase the angle of oblique incidence of the current, reducing aerodynamic drag and reducing fuel consumption.
Finally, for subsonic and supersonic cruising speeds, the wing pitch would be modified to reach the aforementioned 60 degrees, with respect to the fuselage of the aircraft, obtaining the efficiency provided under a swept wing configuration, further reducing fuel consumption and allowing the aircraft's range to be increased.
As for some characteristics of the aircraft itself, we know that the vehicle was practically made of composite materials, mainly fiberglass, and had a wingspan of almost 10 meters, for a length of just over 12 meters, with a gross weight of close to one ton.
In addition, the vehicle was capable of reaching 320 kilometers per hour, thanks to two small TRS 18 turbojets, of the TRS 18-046 model, which generated around 1000 newtons of thrust at sea level, with a specific impulse of 33.4 milligrams of fuel per newton second.
A legacy destined to return in the coming decades
Development planning for an oblique-wing supersonic aircraft was facilitated by the experience gained with the AD-1, the growing amount of data from wind tunnel tests, and the increase in computational fluid dynamics simulations of oblique wing performance.
As an example, NASA - National Aeronautics and Space Administration engineers felt that a slant-wing configuration would be suitable for an aircraft whose primary mission was the air defense of the naval fleet, succeeding the interceptor fighters of the time, after the failure and cancellation of the North American–Rockwell XFV-12A program in 1981.
Consequently, the evolution of the OWRA program, the F-8 OWRA, would be born, centered on the idea of modifying a Vought F-8 Crusader to achieve a vehicle with satisfactory handling qualities in combat conditions and improved characteristics, at low speed, compared to the naval fighter aircraft of the generation of the time, confirming the expected analytical and experienced benefits of the oblique wing configuration.
However, this and other programs would be postponed completely, due to a series of significant challenges that forced the cancellation of numerous ambitious projects by NASA - National Aeronautics and Space Administration , the U.S. armed forces and some leading companies in the sector.
However, the evolution carried out in knowledge within aerodynamics, and its conjunction with the improvement of the structural sections of aircraft, especially from the aeroelastic point of view, has revived fire since the early 2000s, with possible returns of programs that seek to apply this type of technology in new stealth aircraft and state-of-the-art bombers in the purest Skunk Works style.
Main challenges to be solved in oblique wings
To end this new episode of Aerotech Insights, we will list the main challenges that forced the suspension of the development programs of this type of wing configurations:
Acknowledgments
This concludes the ninth edition of our LinkedIn newsletter.
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