¿Qué es el empuje vectorial?

El empuje vectorial, o thrust vectoring en inglés es una un método de control direccional que puede aplicarse en cualquier vehiculo capaz de moverse en las tres dimensiones, sea un submarino, un transbordador espacial o una aeronave, que consiste en redireccionar el impulso generado por los motores a reacción de estos.

La técnica fue originalmente pensada para dar la capacidad de despegue corto o vertical a las aeronaves, como el Harrier Jump Jet, el F-35B, el VAK 191B y el Yak-141, entre otros.

La tendencia de un vehículo impulsado por motores a reacción es moverse en la dirección opuesta al escape del motor, pero cuando este escape es dirigido en un ángulo distinto al ángulo del vehículo referente al horizonte, puede asistir en la maniobrabilidad de este, no solo dependiendo de sus superficies de control. En el caso de las naves espaciales, la vectorización es la única superficie de control.

Esto otorga muchísima mayor maniobrabilidad a la aeronave, como hemos visto en los F-22 y Su-35, pero, ¿Por qué no está presente de forma universal?

La efectividad del empuje vectorial es variable según la configuración aerodinámica, altitud y velocidad de la aeronave.
Para discutir la efectividad de este sistema debemos tener en cuenta como se comportan las naves sin TVC. Los mayores parámetros en el impacto del rendimiento de una aeronave son: Peso, sustentación(se puede aproximar mediante la carga alar), exceso de empuje(determinado por el radio empuje-peso), y resistencia.

Una de las ventajas del empuje vectorial es su capacidad de entrar y salir de una barrena plana controlada, guiñando el avión sin utilizar el timón lateral, que pierde la efectividad en grandes ángulos de ataque. Esta capacidad ya ha sido observada en naves equipadas con canards y ala en delta truncada, como el Eurofighter Typhoon o el Saab Gripen. Sin embargo, mientras que el TVC reduce la resistencia durante vuelo estable, gracias al perfil más convencional de la nave, los canards añaden resistencia y reducen la sustentación a menos que la aeronave se encuentre en un giro, de manera que el empuje vectorial le añade autonomía al avión.

A la hora del combate, la masa de la aeronave determina su inercia, de forma que, mientras ms pesada sea, más tardará esta en cambiar de dirección, resultando en transiciones más lentas, y haciendo que el piloto tarde más en meterse en el ciclo de Boyd (Observe → Orient → Decide → Act) del oponente.
No obstante, para cambiar de dirección, la nave depende de su sustentación, y las superficies de control son las encargadas de direccionar esta fuerza, resultando en una nave pivotando sobre un punto imaginario. Girar causa un incremento en el ángulo de ataque de la nave, resultando en un incremento de resistencia, ya que la dirección hacia la que la nariz apunta no coincide con la dirección a la que esta se desplaza. Incrementar la resistencia resulta en pérdida de energía, que puede ser compensada con exceso de empuje(el cual puede ser asistido por la gravedad, osea, vuelo hacia abajo). El incremento en masa hace que todas estas maniobras requieran de mayor exceso de empuje para resultar en un giro del mismo radio que una nave con menor masa.

La vectorización del empuje, gracias a que en los caza de combate modernos el centro de gravedad nunca se encuentra detrás de las turbinas, resulta en que la nave rote alrededor de su centro de gravedad, resultando en un incremento masivo del ángulo de ataque, como se puede apreciar en el modelo.

En el modelo, se asume que se trata de la misma aeronave, con la misma masa y perfil aerodinámicos, y que la nave puede alcanzar el ángulo de ataque requerido para la máxima sustentación tanto con como sin TVC, condición que no siempre se cumple en naves con canards de brazo largo o elevador de cola.
De esta forma, el impacto de las fuerzas en naves con o sin vectorización de empuje se vería así.

El TVC aumenta el ángulo de ataque, así que también aumenta la resistencia, a la vez que reduce el empuje disponible para contrarrestar la pérdida de energía, y en casos extremos, la sustentación disponible. Esto se traduce en que el TVC es solamente útil en casos de aeronaves que no sean capaces de alcanzar el ángulo de ataque necesario para la máxima sustentación, como puede ser el F-16, que requiere 32 grados de ataque, pero está limitado a 25,5. Ángulos superiores a 35 grados son insostenibles, debido a la gran resistencia que causan, convirtiendo los caza en máquinas de escribir en cuestión de segundos.

El beneficio que nos pueden dar ángulos extremos de ataque controlados no es único para aviones equipados con TVC: el F-22 con TVC consigue un AoA máximo controlable de 60 grados, mientras que las naves con canards Rafale y Gripen son capaces de alcanzar ángulos en exceso de 100 grados, con el Gripen pudiendo sostener AoA de 70-80 grados.
Además, el F-22 sin TVC se limita únicamente a 26 grados AoA, no por sustentación, sino por maniobrabilidad.

De esta forma, el vectorizado sí que mejora la capacidad de giro instantánea de las aeronaves, dejándoles alcanzar al ángulo de máxima sustentación, entre 30 y 40 grados. Las aeronaves que utilizan TVC en combate para alcanzar ángulos excedentes de la capacidad de sustentación entrarán en pérdida antes de girar, pero en caso de que el vectorizado sea para asistir sin exceder este máximo, este sí que será de ayuda en el giro.

En cambio, en el caso de naves equipadas con canards, tienen menos resistencia, pues estas son capaces de ganar la misma sustentación con ángulos de ataque menores, resultando en un gran ahorro de combustible. Esto es muy importante en el combate a rango visual, con razón de que, históricamente, la mayoría de combates han concluido cuando una de las aeronaves se ha quedado sin combustible.

Entonces, ¿para qué es más eficiente el TVC? Pues a velocidades mucho menores que la velocidad de giro, y durante el vuelo supersónico a gran altitud, ya que en estas dos condiciones, las superficies de control no son especialmente eficaces. A velocidades menores a 150 nudos, grandes movimientos en las superficies de control son requeridos para el giro debido a la falta de flujo de aire, de forma que se aumenta la resistencia. Esto también se aplica a la hora del despegue y aterrizaje, ya que una nave con TVC son capaces de hacer ambas en menor distancia que la misma sin esta capacidad.

A la hora del vuelo estable, las naves con capacidad de TVC tridimensional como el MiG 29 son capaces de reducir la resistencia optimizando su forma y también de equilibrar la aeronave sin recurrir al elevador

Con todo esto llegamos a la conclusión de que, en combate, además de la maniobrabilidad post-pérdida, el TVC no nos trae nada nuevo que no se pueda alcanzar de forma más eficiente, ya que este gasta muchísima energía para alcanzar los mismos radios de giro y sustentación que una aeronave equipada con canards como el Saab Gripen. Además, la maniobra Cobra, característica del TVC, es fácil de anticipar y deja al piloto maniobrando sin energía, a merced de su oponente, de manera que el TVC es inútil en caso de que el contrincante sepa de sus posibilidades y límites.