Evaluación de pruebas del gancho de apontaje del F-35C
(the-engi-nerd.github.io)- El F-35C, diseñado para operar desde portaaviones CATOBAR de la Marina de EE. UU., necesitaba que su gancho de apontaje capturara con fiabilidad el cable de frenado al aterrizar, pero el diseño falló en las pruebas iniciales de 2011 en NAS Lakehurst
- La posición del gancho y las limitaciones de espacio dentro de la aeronave ya eran muy ajustadas, y un modelo de dinámica del cable que no logró reproducir el comportamiento real del cable agravó el fracaso
- Como el neumático presionaba primero el cable y lo dejaba tendido y bajo sobre la cubierta, el gancho no lograba atraparlo y pasaba por encima; además, rebotaba hacia arriba con una aceleración angular mayor a la prevista, dañando incluso el equipo de instrumentación
- El rediseño llevó a un damper más robusto, un lateral limiter mejorado, equipo de instrumentación más resistente y un hook shoe con forma de scoop para levantar y capturar mejor el cable cuando quedaba bajo
- En una prueba de apontaje descentrado de 2016 con armamento externo, un problema de configuración del FLOLS provocó un aterrizaje con alta razón de descenso; después, el programa dejó oficialmente de seguir las pruebas de apontaje descentrado y de wire-only arrestment
El F-35C y el fracaso inicial del gancho de apontaje
- El F-35C es la variante del F-35 Joint Strike Fighter para portaaviones CATOBAR operados por la Marina de EE. UU.
- CATOBAR significa Catapult Assisted TakeOff, Barrier Assisted Recovery
- En este método, la aeronave despega con catapultas de vapor o electromagnéticas y, al aterrizar, atrapa el cable de frenado con el gancho de apontaje
- El gancho se guarda en un compartimiento cubierto por una clamshell door durante el vuelo
- Está controlado electrónicamente y accionado por hidráulica
- El diseño inicial no funcionó en las pruebas reales como se requería
- Las pruebas formales de carrier suitability comenzaron en el verano de 2011 en NAS Lakehurst
- Después de las pruebas de compatibilidad con el Jet Blast Deflector, pasaron a las pruebas del gancho de apontaje
- Tony “Brick” Wilson observó la mayoría de las pruebas en Lakehurst, pero nunca vio al gancho atrapar el cable
Por qué el gancho no atrapaba el cable
- Un técnico de instrumentación predijo el 6 de noviembre de 2010, cuando el CF-01 llegó a Pax, que habría bolters porque el gancho era corto, estaba demasiado cerca de las ruedas y la forma del hook shoe era inadecuada
- El punto del gancho estaba a poco más de 7 pies desde el centro del eje del tren de aterrizaje principal
- El espacio interno de la aeronave era extremadamente ajustado, así que los diseñadores tenían un margen muy limitado para ajustarlo
- El diseño se ajustó a un modelo computacional que simulaba el comportamiento del cable de frenado, pero en las pruebas reales esa predicción no coincidió
- Más tarde, durante trabajo de verificación y validación (V&V) de simulación del F-35, escuchó que el modelo de dinámica del cable proporcionado por la Marina no había pasado por un V&V adecuado, aunque aclaró que no lo sabía con certeza
- Como resultado, ese modelo llevó a un diseño que no funcionaba
El comportamiento real del cable observado en pruebas
- En un aterrizaje con frenado por cable, los neumáticos del tren principal o del tren de nariz de la aeronave golpean primero el cable
- Ese impacto genera una onda en el cable, y la onda se desplaza alejándose del neumático
- Mientras la aeronave sigue avanzando, la onda se propaga en ambas direcciones del cable y este generalmente queda aplanado sobre la cubierta
- El modelo predecía que en la siguiente etapa el cable rebotaría y se elevaría desde la cubierta
- En la realidad, el cable seguía bajo, y el gancho pasaba por encima
- La velocidad con la que el gancho rebotaba de regreso hacia la aeronave era tan grande que el equipo de pruebas sospechó una falla en el acelerómetro de hook up-swing, pero se confirmó que el equipo funcionaba bien
- El equipo de pruebas de Lakehurst repitió roll-in arrestments reduciendo gradualmente la velocidad, pero no tuvo éxito
- Incluso en días en que el vuelo estaba prohibido por problemas del IPP, siguieron intentando a baja velocidad
- El gancho seguía rebotando hacia arriba con gran aceleración angular, y la frágil instrumentación del gancho de apontaje se dañaba
- En agosto de 2011, el trabajo de ordenar cableado dañado y recalibrar repetidamente el sensor de posición de rotación del gancho se prolongó hasta altas horas de la noche
- Después de que el huracán Irene se dirigiera a Lakehurst, la aeronave volvió a PAX y también terminó aquella frustrante etapa de pruebas
Rediseño y problemas de confiabilidad que persistieron
- El rediseño del gancho se volvió inevitable
- Se aplicó un hold down damper mucho más robusto
- Se añadió un nuevo damper para el upstroke
- Se mejoró el lateral limiter
- Se instaló instrumentación que no se destruyera en cada apontaje
- El hook shoe también cambió a una forma que facilitara atrapar el cable cuando quedaba bajo
- La nueva forma se parecía más a un scoop que levantaba el cable
- El perfil anterior del hook aparecía en azul, el nuevo en rojo y el cable de frenado en morado
- En 2013 hubo imágenes del gancho funcionando, pero los problemas no terminaron ahí
- El ingeniero de campo no las vio directamente porque dejó el programa F-35 a mediados de 2012 por asuntos personales y regresó menos de dos años después al mismo trabajo
- Luego también continuaron los problemas en el bearing donde entra el pitch pivot pin
- El pin debía soportar al menos 25 apontajes, pero el pin sleeve sufría daños por galling después de solo 1 o 2
- El galling es un desgaste por fricción en el que material de una superficie se transfiere a otra cuando dos metales se deslizan entre sí
- Dentro de ese pin/sleeve había un sensor de posición que informaba directamente al control room el ángulo del gancho durante la prueba, y los reemplazos frecuentes aumentaban mucho el tiempo de trabajo en el gancho de apontaje del CF-03
- La ingeniería del turno nocturno se centraba más en apoyar vuelos, resolver problemas y revisar previamente la instrumentación para la prueba del día siguiente que en asistir a reuniones
- La instrumentación del gancho de apontaje, launch bar y landing gear del CF-03 requería tanta atención que a menudo una sola persona se encargaba solo del CF-03
- Encontraron una forma de reemplazar el pitch pivot pin sin tener que recalibrar el synchro rotation position sensor
- Una nueva calibración requería un nuevo proyecto de instrumentación y un display check, por lo que tomaba varios días
El apontaje descentrado de 2016 y el fin de las pruebas
- En 2016, el CF-03 realizó en Lakehurst la prueba de gancho de apontaje más exigente
- Era una prueba con todo el armamento externo instalado, aunque el AIM-9X de las estaciones externas del ala quedó excluido porque requería una modificación estructural del ala
- Los objetivos de prueba incluían el off-center arrestment
- En un día nublado de mayo de 2016, se intentó un apontaje lo más alejado posible de la centerline
- El ingeniero de campo observaba pantallas de estado de instrumentación, audio de prueba y video dentro del MITS (Mobile Instrumentation/Telemetry System), un mini control room móvil creado por la Marina
- El F-35C normalmente entra a aterrizar con el morro elevado alrededor de 11 a 13 grados
- En esa aproximación, la aeronave venía casi nivelada y descendía rápidamente
- Esperaban oír el llamado de “WAVE OFF” del piloto colega que actuaba como Landing Signal Officer desde tierra, pero no se escuchó
- El F-35 tocó el suelo con las tres ruedas al mismo tiempo, rebotó sobre la pista y volvió a tocarla
- El piloto mantuvo el control, volvió a elevarse y dijo por radio: “Lightning seven three is airborne, going back around”
- La revisión de datos confirmó que el aterrizaje tuvo una razón de descenso tan alta como dejar caer al F-35C desde 20 pies de altura
- Tocó casi completamente plano, con un ángulo de ataque de apenas 2 grados
- La causa fue que el FLOLS (Fresnel Lens Optical Landing System) en uso no estaba configurado correctamente
- El piloto creía que volaba por encima de la glide slope, pero en realidad iba por una trayectoria demasiado pronunciada, y el LSO lo advirtió demasiado tarde
- La aeronave quedó impounded por decisión del crew chief, y se prohibió cualquier trabajo hasta que se establecieran criterios formales de inspección
- Al día siguiente llegó por correo electrónico una lista de inspección de más de 200 pasos solo para el hardware de instrumentación
- Otros mecánicos e ingenieros también recibieron sus propias listas de inspección voluminosas
- La inspección tomó tres días y confirmó que se necesitaba un nuevo landing gear
- No podía reemplazarse en Lakehurst, pero sí resistir un despegue y aterrizaje más para que la aeronave regresara a PAX
- El programa dejó oficialmente de seguir las pruebas de off-center arrestment y wire-only arrestment, y con ello también concluyeron las pruebas del gancho de apontaje
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Soy el autor. No tenía ni idea de que este post fuera a llegar a HN; simplemente era una historia práctica de ingeniería que compartí
En ese lapso me dio tiempo de graduarme de la preparatoria, obtener un título y hasta casarme; el periodo se siente inmenso. También me pregunto cómo mantienen la continuidad durante tanto tiempo. En software, cuando un proyecto pasa de seis meses, se siente como que lo tiran y lo reescriben
¿O será que todos esos ganchos de cola están diseñados a la medida por alguna razón?
Me gusta escuchar historias de este tipo de desafíos de ingeniería. A la prensa le gusta tratar estas iteraciones de diseño como prueba de que el F-35 estaba sobrevalorado o era inferior a cazas anteriores, pero para mí son innovación e intentos nuevos.
Es el proceso de terminar creando un caza increíble, aunque a veces falle. Eso sí, me queda la pena de pensar que ojalá pudiéramos invertir este tiempo y esfuerzo en cosas pacíficas, en un mundo donde no hicieran falta nuevos cazas
Como muestra bien el texto, incluso algo que parece simple, como un gancho, requiere una cantidad enorme de trabajo. Otros componentes pueden ser mucho más complejos de resolver. Si no recuerdo mal, el paquete de potencia integrado[1] del F-35 también fue causa de bastantes problemas. Pero ese desarrollo permitió mantener bajo control el peso de la aeronave y, como resultado, hizo posible un caza STOVL supersónico como el F-35B.
Me molesta cada vez que los comentaristas dicen “eso es tonto, ¡solo háganlo así!”. Si fuera tan fácil, no habría sido un problema desde el principio.
Entiendo los sentimientos sobre la realidad de que se necesiten nuevos cazas. Al menos algunos de estos avances de ingeniería también ayudan al sector civil. Un buen ejemplo es el C-5 Galaxy: su desarrollo fue doloroso, pero llevó al desarrollo del innovador motor TF-39, que luego se convirtió en el CF6 y terminó impulsando durante mucho tiempo a exitosos aviones de pasajeros.
[1] https://www.defenseadvancement.com/feature/3-aircraft-system...
Por ejemplo, el gancho original tenía la zapata apuntando demasiado hacia arriba, así que no lograba atrapar el cable. Los ingenieros lo diseñaron basándose en un modelo de simulación defectuoso, y el personal de pruebas en campo supo de inmediato, apenas lo vio, que no iba a funcionar. Incluso le mostré una foto a mi pareja, que no es ingeniera, y lo primero que dijo fue: “no está orientado correctamente”.
https://the-engi-nerd.github.io/posts/welcome/images/clipboa...
Se puede ver el diseño original (azul) y el diseño modificado (rojo).
https://the-engi-nerd.github.io/posts/welcome/images/clipboa...
Me pregunto qué significa que “el programa decidió oficialmente dejar de dar seguimiento a los apontajes fuera de la línea central y a los apontajes solo con cable”.
¿Significa que el F-35C tiene que aterrizar casi exactamente en el centro para poder enganchar correctamente? ¿Y qué es “wire only”? ¿No usan solo cables todos los aterrizajes detenidos en portaaviones?
Normalmente, una forma de hacerlo es intentar un apontaje en una posición muy desplazada respecto de la línea central. En ese caso, la fuerza de frenado se aplica con mucha más intensidad de un lado. Otra es hacer que el gancho atrape el cable mientras las ruedas del avión todavía están en el aire sobre la cubierta, lo que hace que la aeronave se estrelle con mucha fuerza contra la cubierta.
Después de este incidente, se consideró que la intención del plan de pruebas ya se había cumplido suficientemente.
Además, faltaban aeronaves instrumentadas capaces de realizar apontajes. El programa solo tenía dos, y una de ellas ya había sido llevada hasta el límite
Creo que todo ingeniero se quema alguna vez por culpa de equipo de prueba defectuoso, y que todo ingeniero senior se quema alguna vez por no confiar en equipo de prueba que sí funciona correctamente.
Lo disfruté mucho
Lo leí con mucho interés y espero el próximo artículo. Antes fui mecánico de Harrier, y durante mi servicio entre 2002 y 2007 me dijeron muchísimas veces que iba a aprender mantenimiento del F-35B, pero por supuesto eso nunca ocurrió en la práctica.
Así que, como exmecánico y actual ingeniero, me gustaría escuchar más historias sobre su desarrollo.
Me identifico con la parte que dice: “Ingenieros que le ahorran tiempo y dinero al programa por pura flojera de no querer crear un nuevo formato XML para el proyecto de instrumentación. Parece que el progreso del mundo ocurre más o menos así”.
He trabajado en salud, fintech y publicidad, y en los tres sectores hice exactamente lo mismo. Creo que hasta ahora he escrito o depurado parsers de XML en 20 lenguajes para evitar conseguir consenso sobre un formato nuevo.
Excelente artículo. En esa época trabajé en IFLOLS como ingeniero de software recién ingresado.
Después de dejar el gobierno y trabajar en varias startups de software, extraño esta ingeniería del mundo real.
Como los portaaviones nuevos tienen una elegante catapulta electromagnética, se me ocurre que podrían usar frenado regenerativo como en los autos híbridos. Podrían recargar el acumulador de la catapulta y ahorrar mucha energía.
Claro, es broma.
Hay una anécdota interesante sobre el F-35C. Cuando se encargó y diseñó, no había ninguna aeronave capaz de transportar un motor de reemplazo hasta el portaaviones, ni siquiera desarmado. No cabía en el C-2 Greyhound, lo que parece una omisión bastante extraña.
Sí cabe en la variante CMV-22B del Osprey, pero actualmente está en tierra, y entiendo que también cabe en el CH-53K King Stallion. Pero esas aeronaves no existieron hasta hace poco.
Para corregirlo: no quise decir que el C-2 no pudiera transportar motores de reemplazo en general, sino que el motor del F-35 no cabía.
Primero, sí hay aeronaves CTOL capaces de entregar motores de reemplazo a aeronaves. El problema es que el motor de reemplazo del F-35 no entra por el gran diámetro de las aspas del fan. La Marina de EE. UU. antes usaba el C-2 Greyhound para estas misiones, pero su fuselaje era demasiado pequeño y estaba en proceso de retiro. También se habló de convertir algunos S-3B retirados en aviones de transporte a portaaviones (COD), con un fuselaje más ancho para alojar el F135, pero no prosperó. https://archive.ph/20150209193642/http://www.defensenews.com...
Segundo, hay muchos helicópteros capaces de transportar el motor de reemplazo del F-35, incluido el Boeing Sea Knight. https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_Vertol_CH-46_Sea_Knight Creo que la razón por la que la Marina de EE. UU. no quería depender de helicópteros convencionales era su alcance relativamente corto.
Hay algo que me llamó la atención. Según esta descripción, parece que el gancho de cola no podía funcionar desde el principio en condiciones reales. El blog dice que el modelo computacional usado por el fabricante estaba equivocado.
Entonces, ¿eso significa que los fabricantes no hacen pruebas de campo del hardware? Si es así, da miedo.