Los helicópteros militares del futuro

(defensa.com) Desde que llegó en los años cincuenta, el helicóptero cambió la forma en que se desarrolla la guerra. Sin embargo, desde entonces su diseño ha evolucionado muy poco, aunque esto va a cambiar, ya que está a punto de llegar una nueva generación de aeronaves de despegue vertical que revolucionará el panorama actual.

El diseño convencional de un helicóptero se basa en el empleo de un rotor principal para la sustentación y un timón de cola, sobre el que funciona un rotor antipar que evita que gire sobre sí mismo. Aunque las ventajas del despegue y aterrizaje vertical son obvias, este diseño limita la velocidad máxima, ya que por encima de los 160-170 nudos se vuelven inestables y entran en pérdida. Esto se debe a la diferencia de sustentación de la pala que avanza frente a la que retrocede y por la elevada velocidad que se alcanza en la punta de la pala. Hace años, diferentes empresas comenzaron a experimentar con diversos diseños y tecnologías para superar esta barrera y lograr mayor estabilidad y maniobrabilidad. Surgieron diseños como el de los rotores coaxiales, empleados hace años por la empresa rusa Kamov, o los entrelazados, como los que usa Kaman Aircraft, que prescinden del rotor antipar, porque los dobles principales generan su propio par de fuerzas.

Otra aproximación para alcanzar gran velocidad es dotar al helicóptero de un rotor posterior que haga de propulsor para lograr una mayor. Los primeros diseños de este tipo, denominados helicóptero compuesto (compound helicopter), giroplano o híbrido, mantenían el antipar, como el Lockheed AH-6 Cheyenne, pero empleaban ese otro rotor empujador (thruster o propeller en inglés) para aumentar la velocidad, que puede ser introducido en un conducto (ducted). Además, en algunos diseños, como veremos, cuando se instalan por parejas pueden ser empleados para aumentar la maniobrabilidad o la sustentación durante determinados movimientos. Una característica de estos helicópteros compuestos es que a altas velocidades el rotor principal se desacopla de la propulsión y gira libremente sin perder sustentación y posibilitando alcanzar altas velocidades sin entrar en pérdida.

Parecidos a estos son los diseños que la empresa estadounidense Piasecki comenzó en los sesenta, basados en su tecnología Vectored Thrust Ducted Propeller (VTDP), que consiste en la adopción de una hélice propulsora orientable insertada en un conducto que aumentaba el empuje y sustituía al rotor antipar, acompañándolo de unas superficies fijas de vuelo o pequeñas alas. Este diseño permitía alcanzar gran velocidad, aumentar el alcance y maniobrabilidad y se ha ofrecido como modificación para helicópteros en servicio, como el AH-64 Apache o el UH-60 Black Hawk, existiendo un demostrador de este último denominado X-49A Speedhawk, que, sin embargo, en las pruebas realizadas por el US Army no superó los 180 nudos.

Salvo contadas excepciones, la mayoría de los diseños anteriores no se han materializado en aeronaves que hayan entrado en servicio y durante los últimos treinta años los helicópteros mantuvieron el mismo diseño. Una excepción es la del convertiplano V-22 Osprey desarrollado por Bell y Boeing, que es el ejemplo perfecto de la combinación de helicóptero y avión que buscan los militares. Ofrece la capacidad de aterrizaje y despegue vertical de uno y la alta velocidad del otro, siendo su característica principal que las alas de que dispone albergan en los extremos dos motores que basculan junto con los rotores, que en vertical permiten despegar y aterrizar como un helicóptero, pero que en horizontal actúan como los de un avión convencional.

Los programas en Estados Unidos
El Departamento de Defensa de Estados Unidos lleva años estudiando los posibles sustitutos para los helicópteros con que cuenta. Entre las cuatro ramas de sus fuerzas armadas (Army, Air Force, Navy y Marines) tiene más de dos docenas de helicópteros o convertiplanos diferentes para transporte, exploración o ataque. El US Army posee aproximadamente 4.000 unidades, entre el UH-60 Black Hawk de transporte y el AH-64 Apache de ataque, cada uno con versiones diferentes. Pero su envejecimiento y la imposibilidad de seguir modernizándolos permanentemente han motivado al Pentágono a buscar un sustituto para dentro de diez años. El objetivo es contar con cuatro diseños básicos, que compartirían gran número de semejanzas o estarían basados en una única concepción.
Se trata del programa Future Vertical Lift (FVL), que más que un programa concreto es un conjunto de estudios y proyectos destinado a crear nuevas plataformas de despegue y aterrizaje vertical. La fase de adquisición del programa comenzará en 2019 y se contempla la compra de aeronaves por un importe de hasta 100.000 millones de dólares, que deberán entrar en servicio a partir de 2025, reemplazando al Black Hawk y al Apache en misiones de transporte y ataque, respectivamente. Sin embargo, no parece el mejor momento para un plan tan ambicioso, debido a los recortes presupuestarios.

Los objetivos principales son aumentar la velocidad, el alcance, la eficiencia energética, la capacidad de transporte de personas o carga y de ascenso vertical o una menor firma logística. La eficiencia a alta velocidad significa usar estructuras optimizadas en términos de aerodinámica, pero aparecen vibraciones, otro de los problemas sufridos por los helicópteros, por lo que se estudiarán métodos para reducirlas. Se quieren recortar las líneas de suministros de repuestos y mantenimiento, para bajar los costes operativos. Sin embargo, la introducción de diseños no convencionales podría suponer riesgos tecnológicos y aumento de costes.

Como fase previa del programa FVL, tenemos el Joint Multi-Rol Technology Demonstrator (JMR-TD). Se trata de una iniciativa compleja que aún no se sabe en cuantos programas o aeronaves se va a materializar. Podrían ser cuatro aparatos distintos para cada uno de los servicios o concretarse en diferentes tecnologías o sistemas aplicables a los helicópteros actualmente en servicio o en aeronaves específicas para cada necesidad. Por ahora se ha separado el trabajo entre dos partes, centradas en el diseño de aeronaves y los sistemas de misión, que serán comunes e intercambiables y que también podrán ser instalados a los helicópteros actuales. La experiencia de los Marines con su programa UH-1Y/AH-1Z demuestra que un helicóptero de transporte y uno de ataque pueden compartir gran número de componentes.

Hasta ahora se conocen al menos tres aeronaves dentro del programa JMR, habiéndose publicado en 2011 algunos de los requisitos y características precisas de cada uno. El JMR-Medium sería una aeronave utilitaria y de ataque de alta velocidad, capaz de insertar un pelotón a una distancia de 424 km. o lanzar un ataque en profundidad contra una columna de carros tras las líneas enemigas. Su velocidad de crucero alcanzaría 230 nudos, el techo de servicio 6.000 pies y operaría con elevadas temperaturas. Debe ser capaz de transportar la carga del helicóptero al que sustituye (UH-60) siendo su fecha de entrada en servicio entre 2027 y 2028. El JMR-Light será el helicóptero de reconocimiento que deberá entrar en servicio en 2030 en el lugar del OH-58, pudiendo llevar 2.500 kg., igual que este. Por último, el JMR-Heavy será el sustituto del Boeing CH-47 Chinook y entraría en servicio en 2035.

El programa JMR se divide a su vez en dos fases. En la primera los cuatro candidatos se centran en la versión utilitaria (JMR-Medium) y se espera que después de julio se elija a uno o dos. Los cuatro participantes enviaron en junio sus propuestas al US Army para su evaluación durante el tercer trimestre de este año. Se fabricarán dos demostradores para las pruebas que tendrán lugar el último trimestre de 2017, para lo que recibirán 200 millones de dólares. En esta fase se han establecido requerimientos, como volar a 230 nudos, nada menos que 170 más que el límite actual de los helicópteros. Sin embargo, el programa avanza lentamente y en 2017 habrá demostradores que no llevarán motores ni sistemas de misión o comunicaciones definitivos. La Fase 2 comenzará en 2017 y se centrará en el desarrollo de los sistemas de misión comunes para las versiones utilitaria y de ataque y se decidirá si se elige un diseño común para las dos o uno para cada una. No es necesario que los prototipos sean a tamaño real, ya que se centrarán en la tecnología. Sin embargo, en junio se contemplaba la posibilidad de demorar la fase de fabricación de los aparatos resultantes del JMR.

Entre los cuatro candidatos seleccionados en la Fase 1 encontramos dos que apuestan por la tecnología de los convertiplanos (el V-280 Valor de Bell y el TR36-TD de Karem Aircraft) y otros dos basados en el helicóptero compuesto (el S-97 Skyrider de Sikorsky-Boeing y el JMR-AT/UT de AVX). El desarrollo de AVX es un diseño sin timón de cola, con una superficie de vuelo frontal mínima y dos propulsores del tipo ducted a cada lado del fuselaje. El V-280 Valor se basa en la experiencia acumulada con el V-22 Osprey, aunque los motores no basculan y la potencia es transmitida a los rotores mediante transmisiones. El de Karem Aircraft está basado en su tecnología Optimun Speed Rotor (OSD), según la cual los dos rotores con que cuenta este convertiplano varían su velocidad dependiendo de las necesidades de la aeronave en cada momento. Por último, el S-97 Skyrider es un helicóptero compuesto con rotores coaxiales y uno propulsor posterior, que será el primero en el que nos detengamos, por ser el que a priori parece tener más opciones de llevarse el gato al agua, dado que está más avanzado.

Según las últimas noticias, el US Army debía realizar la elección entre los competidores a finales de julio o comienzos de agosto. El elegido recibirá una cantidad de fondos que aún está por determinar. El Ejército querría financiar los cuatro demostradores, pero asume que no tiene fondos para ello, por lo que los fabricantes han sugerido que podrían al menos pagar un diseño de cada tecnología (un helicóptero compuesto y un convertiplano). Sin embargo, esta decisión podría favorecer a dos candidatos que son fabricantes (Bell y Sikorsky-Boeing), mientras que los otros dos son centros de diseño, sin capacidad productiva (AVX y Karem Aircraft). El 1 de julio tuvo lugar un panel de estudio sobre el programa JMR-TD/FVL en el Centro para la Estrategia y los Estudios Internacionales (CSIS) en Washington. En él, Dan Bailey, director del programa en el Centro de Investigación, Desarrollo e Ingeniería de Aviación y Misiles del Army (AMRDEC) dio unas claves sobre su evolución.

En primer lugar mencionó un requerimiento poco conocido, y es que las aeronaves del programa FVL deberán ser capaces de desplegarse por sus propios medios, haciendo la ruta de 2.100 millas náuticas que une California y Hawái. Esto significa que deben llegar por sus propios medios (con depósitos auxiliares) sin ser embarcados en aviones de transporte pesados ni buques. Esta demanda habla a las claras de la importancia que cobra la zona de Asia-Pacífico para los planificadores estadounidenses. Otra característica es que deberán poder operar como vehículos aéreos no tripulados de forma autónoma o semiautónoma, algo que ya ofrecen fabricantes como Kaman, Boeing o Sikorsky en versiones de sus K-Max, AH-6 o UH-60, respectivamente. Confirmó que la decisión sobre los candidatos se tomaría a finales de julio o principios de agosto, determinando que la correspondiente a materiales se hará a finales de 2016, el análisis de diseños alternativos se realizará en 2017 y los vuelos de prueba tendrán lugar a finales de ese año.

El S-97 “Skyrider”
En 2010 Sikorsky lanzó el desarrollo de un prototipo de helicóptero táctico, denominado S-97 Raider. Es compuesto, con rotor propulsor trasero derivado del prototipo X2, que consiguió alcanzar los 250 nudos (287 km/h.) en 2010. En marzo de ese año lo presentó al programa de helicóptero de reconocimiento armado Armed Aerial Scout (AAS), del que nos ocupamos en un artículo (FDS435-436), y en octubre de ese año, en el evento AUSA, Sikorsky mostró una maqueta a escala real. Consiste en una combinación de tecnologías de vanguardia, ya que emplea un fuselaje de una pieza hecho en materiales compuestos, sistema de mando fly-by-wire (desarrollado para el RAH-66 Comanche) y sistemas activos de reducción de la vibración. La configuración es de cabina con dos asientos lado a lado y puestos de mando idénticos y un compartimento para acomodar hasta seis soldados, aunque la versión para el programa AAS estaba optimizada para portar armamento y más combustible.

Sus prestaciones son una velocidad de crucero de 405 km/h., máxima de 440 y un techo de servicio de 3.000 m. Además de mayor velocidad, la configuración de rotor compuesto aporta mayor maniobrabilidad y autonomía y permite reducir el radio de giro, además de ofrecer una menor firma acústica. Una característica particular es que el propulsor de cola puede ser empleado para frenar el aparato, al generar empuje en sentido contrario al de la marcha, lo que lo hará más maniobrable. Bajo el morro se aprecia un carenado para el sistema de adquisición de objetivos, que aún no ha sido instalado. Su peso (10.000 libras) hace que esté a medias entre los JMR-Light y JMR-Medium. El Raider tiene un coste estimado de 15 millones de dólares por aparato (era uno de los requisitos del programa), pero en 2013 el US Army congeló el AAS y desde entonces Sikorsky lo ha ofrecido también como aeronave civil, por ejemplo para vuelos a plataformas offshore.

El Mando de Operaciones Especiales de Estados Unidos (USSOCOM) expresó pronto interés en el Raider como sustituto de los MH-6 Litte Bird y, dada la edad de estas aeronaves, quizás sea el primer cliente del aparato. Podría reemplazar a los aproximadamente 50 helicópteros que emplea el 160th SOAR, hueco que iba a cubrir el cancelado ARH-70 Arapaho de Bell. Sikorsky lo está desarrollando con fondos propios y ha creado un grupo de 50 socios industriales, de los que 38 han invertido dinero. Además, se comprometió a construirlo independientemente de lo que sucediera con el programa AAS. Boeing y Sikorsky Aircraft (fabricantes de la mayoría de helicópteros que emplean actualmente Estados Unidos) anunciaron en enero del año pasado la formación de un equipo para participar en la Fase 1 del programa JMR TD con el denominado SB-1, derivado del S-97 Raider. La alianza fue bautizada en octubre del año pasado durante el evento AUSA como Team Defiant y en ella Sikorsky se encargará de la Fase 1, centrada en la aeronave, y Boeing de la 2, de los sistemas de misión.

El equipo está construyendo dos unidades del S-97, una para pruebas de vuelo y la otra como demostrador. El montaje del primero se inició en octubre de 2012 y la fase final comenzó en septiembre del año pasado, después de que Aurora Flight Sciences entregara la pieza de materiales compuestos que forma el fuselaje completo, desde cabina a cono de cola. Durante una visita a las instalaciones de la empresa en Florida en mayo, coincidiendo con la presentación del CH-53K, los medios vieron el primer prototipo, al que le faltaban por instalar el motor General Electric CT7 y la transmisión. Entonces se anunció que el primer vuelo estaba previsto para el 1 de diciembre de 2014, aunque comunicados más recientes hablan ya de 2015. El 28 de ese mes se presentó a la prensa con el cableado y los sistemas eléctricos instalados y funcionando.

Viendo las imágenes del S-97 Raider, el autor no puede más que recordar a los helicópteros stealth que participaron en la misión contra Osama Bin Laden y de cuya existencia supimos por el accidente de uno de ellos. Sus características fueron descritas en los artículos El misterioso helicóptero de Abbottabad (1ª y 2ª parte), correspondientes a los números FDS400 y FDS401. Los restos del aparato siniestrado dejaban ver algunas características que ahora encontramos en el Raider, por ejemplo el diseño de la cabina, el tren de aterrizaje retráctil o la baja firma sonora. Aunque se trata de modelos diferentes, baste citar que el Black Hawk en que estaría basada esa aeronave avanzada es fabricado por Sikorsky, igual que el Raider, por lo que es posible pensar que el diseño de este último habría aprovechado lo experimentado con el helicóptero secreto del 160th SOAR.

En la segunda parte de este trabajo analizaremos los tres candidatos restantes del programa JMR TD/FVL, así como los diseños que ha seleccionado la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA) para el programa VTOL X-Plane, cuyas expectativas superan lo descrito en esta primera. También relataremos otras concepciones avanzadas, como la ARES de Lockheed Martin, derivada del programa Transformer o TX, también de DARPA, o el helicóptero híbrido X3 de la empresa europea Airbus Helicopters.

Un motor para el futuro
Un programa paralelo del US Army es el denominado Advanced Concept Engine (ACE) o Advanced Affordable Turbine Engine (AATE), según el cual se evalúan las opciones para desarrollar un nuevo motor de altas prestaciones, que pueda instalarse tanto en los helicópteros actuales como en los surgidos del programa FVL. Reemplazaría principalmente a los propulsores de 2.000 CV de potencia al eje, como la familia T700 de GE, empleada en los UH-60 o AH-64, pero con un 50 por ciento más de potencia. Entre los requisitos se incluye un sistema de bombeo de aceite que puede funcionar en horizontal y vertical, por lo que podrá ser empleado en otros diseños, como convertiplanos. El programa ACE no sigue el mismo calendario que el FVL, sino que estará listo para cuando estos comiencen a ser empleados, en torno a 2035. Participan las empresas GE Aviation y la joint venture Advanced Turbine Engine Company (ATEC), formada por Honeywell y Pratt & Whitney.



Por José María Navarro











Fotografías:
·El S-97 “Skyrider” (foto Sikorsky).
·El demostrador tecnológico "Speedhawk" de Piasecki.
·Configuración propuesta por Piasecki para modernizar el "Apache" con su tecnología VTDP (foto Piasecki).
·El V-22 "Osprey" es el único diseño de aeronave de despegue vertical realmente moderno en muchos años (foto Boeing).
·El veterano helicóptero OH-58 podría modernizarse con tecnología de rotores compuestos (foto AVX).
·La tecnología del programa FVL podrá ser empleada para modernizar aeronaves en servicio (foto AVX).
·Características de la versión utilitaria del JMR de AVX (foto AVX).
·Concepto de diseño de una aeronave compuesta con doble rotor empujador (foto AVX).
·Maqueta a escala real del V-280 “Valor” (foto Bell).
·Versión de ataque del diseño de AVX para el programa JMR (foto AVX).
·El “K-Max” tiene una particular silueta por sus rotores entrelazados y la ausencia del de cola (foto US Navy).
·Un “marine” estadounidense pilota un helicóptero “Little Bird” mediante un interfaz instalado en su “Smartphone” (foto US Navy).
·La tecnología del S-97 está derivada del prototipo X2 (foto Sikorsky).
·El S-97 "Raider" es un compendio de nuevas tecnologías (foto Sikorsky).
·El helicóptero híbrido X3 (foto Airbus Helicopters).