La Fuerza Aérea de EE. UU. incorporó el F-22, un caza con estabilizadores verticales clave para sigilo y estabilidad, en 2005 tras desarrollo iniciado en 1986.
Evolución histórica y diseño inicial de estabilizadores en el F-22 Raptor
La Fuerza Aérea de Estados Unidos incorporó el F-22 Raptor, un caza de superioridad aérea que Lockheed Martin desarrolló en colaboración con Boeing y General Dynamics, en su flota operativa a partir de diciembre de 2005. El programa de desarrollo se inició en 1986 y priorizó el sigilo y la maniobrabilidad. Los estabilizadores verticales del aparato, elementos clave en su configuración aerodinámica, se inclinan hacia fuera. Se posicionan en la sección trasera del fuselaje porque así se reduce la sección transversal radar y se mantiene la estabilidad en vuelo.
Los requisitos que el Departamento de Defensa estableció para contrarrestar amenazas como los cazas soviéticos de la época influyeron en este diseño. El primer vuelo del prototipo YF-22 ocurrió en septiembre de 1990. La producción en serie alcanzó 187 unidades hasta 2011. El diseño de los estabilizadores verticales evolucionó durante las fases de exploración conceptual y validación de demostración del programa de caza táctico avanzado. Inicialmente, Lockheed propuso configuraciones con cuatro estabilizadores, dos verticales y dos horizontales, inspiradas en el F-117.
Las pruebas en túnel de viento y evaluaciones de radar llevaron a una transición hacia formas curvadas que preservaban el sigilo sin comprometer el rendimiento supersónico. En la configuración que Lockheed propuso, los estabilizadores verticales se montaron en un ala de forma trapezoidal, con un ángulo de inclinación hacia fuera que alineaba sus bordes con los del ala y el fuselaje para minimizar las reflexiones radar. Boeing, por su parte, optó por estabilizadores verticales gemelos ubicados en la parte posterior del fuselaje, con un tamaño calibrado para ofrecer potencia de control equivalente a diseños con más superficies.
Boeing aprovechó un brazo de momento más largo derivado de un fuselaje de mayor relación de finura. General Dynamics exploró opciones con un solo estabilizador vertical en el centro, pero las pruebas revelaron momentos de cabeceo inestables debido a la interacción con flujos vorticiales. Esta situación reforzó la selección de estabilizadores gemelos inclinados en la versión final del F-22. Los estabilizadores verticales del F-22 miden aproximadamente el 20 por ciento menos en área que los de configuraciones iniciales, según ajustes realizados durante la fase de validación para optimizar el equilibrio entre sigilo y control.
Características técnicas y resultados de pruebas en estabilizadores
- Estabilizadores con núcleo de panal y pieles continuas en modelo de prueba a escala del 13,3 por ciento.
- Materiales compuestos que soportan cargas aerodinámicas elevadas.
- Pruebas en túnel de NASA Langley a Mach hasta 0,12 y ángulos de ataque entre 16 y 42 grados.
- Instrumentación con acelerómetros, galgas extensométricas y transductores de presión inestables.
Ventajas aerodinámicas y control activo en los estabilizadores del F-22
Los estabilizadores incorporan materiales compuestos que soportan cargas aerodinámicas elevadas. En pruebas realizadas en el túnel de dinámica transónica de la NASA Langley, a números de Mach hasta 0,12 y ángulos de ataque entre 16 y 42 grados, los estabilizadores demostraron interacción con vórtices que el borde de ataque del ala y la entrada del motor generan. La instrumentación incluyó acelerómetros, galgas extensométricas para puentes de flexión y torsión, y transductores de presión inestables dispuestos en una cuadrícula a lo largo del estabilizador rígido del lado de babor.
El de estribor era flexible y contaba con un timón activo accionado por un actuador hidráulico. En términos aerodinámicos, los estabilizadores verticales del F-22 generan componentes de fuerza tanto en guiñada como en cabeceo gracias a su inclinación, que descompone las fuerzas en direcciones vertical y horizontal. Cuando los timones se desvían hacia dentro, producen una fuerza descendente que asiste en el despegue porque eleva la nariz del aparato y permite velocidades de rotación más bajas.
Las pruebas en túnel de viento indicaron que los vórtices del borde de ataque del ala envuelven los estabilizadores en ángulos de ataque altos, lo que genera presiones de buffet inestables. La densidad espectral de potencia de las presiones en la superficie interior mostró un modo aerodinámico alrededor de 30 hercios a 22 grados de ataque, que se desplaza a 15 hercios a 42 grados, con magnitudes crecientes. En la superficie exterior, los picos se observaron a 22 grados con modos en 30 y 45 hercios.
Las presiones diferenciales, calculadas como la diferencia entre interior y exterior, alcanzaron valores raíz cuadrática media de hasta 0,035 libras por pulgada cuadrada en rangos de 34 a 38 grados. El control activo de los timones mitiga el buffet en los estabilizadores verticales, con reducciones superiores al 20 por ciento en el momento de flexión en la raíz utilizando desviaciones de menos de un grado en ángulos entre 24 y 38 grados. Las funciones de densidad espectral cruzada revelaron características de onda viajera.
Integración con sigilo y mantenimiento de estabilizadores en el F-22
Las fases varían según la distancia entre estaciones de medición, como menos 20 grados a 20 hercios entre estaciones adyacentes, triplicándose a menos 60 grados en separaciones mayores. Las funciones de coherencia indicaron conectividad espacial, con picos más amplios en ángulos superiores, lo que sugiere una pérdida de energía en los vórtices o un punto de estallido más cercano a la nariz. Comparado con otros aparatos, como el F/A-18, el F-22 presenta un segundo modo aerodinámico en 45 hercios ausente en aquel, y una conectividad espacial más fuerte en las presiones de buffet debido a múltiples vórtices.
La integración de los estabilizadores verticales con la vectorización de empuje bidimensional en los motores Pratt & Whitney F119-PW-100, que desvían hasta 20 grados, amplía la agilidad del F-22 en maniobras cerradas. El diseño convencional de alas y estabilizadores, modificado para absorber ondas radio, permite un vuelo supersónico sostenido a Mach 1,5 sin postquemadores, con una velocidad máxima superior a Mach 2. Las pruebas confirmaron que la deflexión de los flaps del borde de ataque en 35 grados reduce las presiones de buffet cerca de la punta del estabilizador y el momento de flexión en la raíz.
Aunque incrementa las presiones en la sección media. La deflexión de los estabilizadores horizontales tiene un efecto mínimo en estas presiones. En el contexto de sigilo, los estabilizadores verticales inclinados evitan superficies perpendiculares que generan retornos radar fuertes, porque desvían las ondas lejos del emisor. Esta característica, aplicada en aparatos como el SR-71 desde la década de 1960, reduce la sección transversal radar del F-22 a niveles comparables con los de un aparato más pequeño.
Los bordes de los estabilizadores se alinean con los del ala y el fuselaje para concentrar los picos de detección en direcciones estrechas, complementados por materiales absorbentes que cubren el fuselaje. El programa de caza táctico avanzado requirió una sección transversal radar inferior a 0,00001 metros cuadrados, lo que influyó en la selección de estabilizadores gemelos inclinados sobre configuraciones alternativas como la de un solo estabilizador central, que ofrecía mejor sigilo lateral, pero comprometía la estabilidad supersónica.
Interacciones vorticiales y producción de estabilizadores en el F-22
Los estabilizadores verticales también interactúan con extensiones del borde de ataque en el fuselaje delantero, que generan vórtices giratorios para operación en ángulos de ataque altos hasta 50 grados sin entrada en pérdida. Estos vórtices mantienen un flujo de alta velocidad sobre los estabilizadores, porque mejoran la efectividad del control en guiñada. Las correlaciones cruzadas entre presiones en los estabilizadores y en la raíz del ala mostraron valores pico de 0,2, lo que indica que los vórtices de buffet no se originan en las extensiones del borde de ataque sino en el ala principal.
La escalabilidad con el número de Strouhal confirmó que las presiones y respuestas de buffet se mantienen consistentes en diferentes tamaños de modelo. La producción del F-22 incluyó estabilizadores verticales pintados en instalaciones especializadas de Lockheed Martin, donde se aplican recubrimientos que mantienen las propiedades absorbentes. El aparato entró en servicio en bases como Tyndall, donde los estabilizadores demostraron resistencia estructural en eventos como el huracán Michael en 2018.
Con daños limitados a hangares que protegían estas componentes. El mantenimiento aborda la fatiga por buffet, con inspecciones regulares para asegurar la integridad en operaciones de alta intensidad. La configuración aerodinámica del F-22 prioriza el sigilo y la maniobrabilidad, con estabilizadores verticales que reducen la sección transversal radar. El desarrollo del caza táctico avanzado incorporó pruebas exhaustivas que validaron el diseño final de los estabilizadores gemelos inclinados.
Los estabilizadores verticales del F-22 ofrecen ventajas en control y sigilo que superan configuraciones alternativas exploradas durante el programa. Las interacciones con vórtices y el control activo mitigan efectos adversos como el buffet. La integración con sistemas de empuje vectorial amplía la agilidad del aparato en escenarios operativos exigentes.