Cómo crear un ovni. Problemas aerodinámicos que los ingenieros no pudieron resolver y la clave para la estabilización
30 de marzo de 2025
Kyryll Maksymov
La historia de la creación de aeronaves con forma de disco ha demostrado que su principal problema no es la falta de tecnología, sino la forma misma. El disco es simétrico, carece de las tradicionales plumas de cola y alas, y por lo tanto, carece de estabilidad natural en vuelo. ¿Cómo se comporta el flujo de aire alrededor de un cuerpo así? ¿Por qué un avión con alas es estable, pero un platillo no? ¿Y por qué ni siquiera el uso de un colchón de aire o el efecto Coand? ayudaron a que el Avrocar fuera controlable? En esta entrega de la serie “Cómo construir un ovni”, analizaremos los principales problemas aerodinámicos que impiden que estos vehículos vuelen eficazmente.
¿Por qué es tan difícil implementar dispositivos con forma de disco?
Las principales dificultades residen en su aerodinámica y estabilidad. Un avión clásico tiene un ala y una cola alargadas precisamente para proporcionar estabilidad y control. Un disco, en cambio, tiene una forma simétrica y no tiene una aleta de cola ni quilla pronunciadas. Esto conlleva varios problemas:
Inestabilidad estática. Para un vuelo estable, el centro de masas del avión debe estar delante del centro de sustentación. Es muy difícil lograr dicho equilibrio en un disco porque el más mínimo cambio en el ángulo de ataque* desplaza el punto de aplicación de la sustentación. Sin medidas especiales, el disco tenderá a “inclinarse” repentinamente hacia adelante o hacia atrás. En pocas palabras, un ala en forma de disco está desequilibrada aerodinámicamente. Cuando lanzas un frisbee sin rotación, puedes ver este problema: el disco se inclina inmediatamente o cae sobre la nariz primero. Es por eso que necesitas darle al frisbee un giro rápido: el momento giroscópico lo estabiliza y convierte la peligrosa inclinación en una precesión suave**. Por supuesto, para un vehículo tripulado, rotar todo el casco como un frisbee no es una opción (el piloto simplemente “giraría”), por lo que se deben buscar otras formas de estabilizarlo.
Animación de la precesión de un giroscopio mecánico. El momento de vuelco provoca una precesión perpendicular al vector de momento.
*El ángulo de ataque es el ángulo entre la dirección del flujo de aire y el ala del avión.
**La precesión es un fenómeno durante el cual el eje de rotación de un objeto cambia de dirección, pero el objeto mismo continúa girando. Es la base del funcionamiento del giroscopio.
Falta de controles tradicionales. En un avión convencional, el cabeceo, el alabeo y el rumbo se controlan mediante elevadores, alerones y timón de dirección, superficies que desvían el flujo. Un disco no tiene un borde de ataque ni una cola claramente definidos, por lo que es difícil colocar dichas superficies. Por supuesto, se pueden añadir pequeños flaps o alerones en los bordes, pero su efectividad será menor debido al hombro corto en relación con el centro de masas. El Avrocar, por ejemplo, se controlaba en modo estacionario desviando los flujos de las toberas periféricas, lo que modificaba la forma del colchón de aire. Para controlar el alabeo, contaba con flaps diferenciales en el flujo, pero la precisión de dicho control dejaba mucho que desear. A altas velocidades, los desarrolladores planearon utilizar empuje diferencial del motor y flaps pequeños, pero no tuvieron tiempo de perfeccionar el sistema. Sin un sistema de estabilización activo, el disco puede girar y deslizarse sin control, especialmente bajo la influencia de ráfagas de viento o turbulencias.
Esquema del Avrocar. Fuente: Manual del VZ-9
Características del flujo de aire. Un disco es un ala con una longitud longitudinal muy pequeña (aspecto* ~1 o menos). Teóricamente, un disco plano puede generar sustentación en un cierto ángulo de ataque, al igual que un ala convencional (debido a que el principio de Bernoulli y la rotación del flujo son válidos para cualquier perfil). Pero un disco plano tiene un bajo factor de calidad aerodinámica. En ángulos de ataque bajos, genera poca sustentación, y en ángulos altos, el flujo se interrumpe rápidamente (se vuelve turbulento sobre la superficie superior) y pierde sustentación por completo. Aunque hay evidencia de que un ala circular puede tener un alto ángulo de ataque máximo debido a la pérdida simétrica alrededor de la circunferencia (algunos experimentos han demostrado la posibilidad de un flujo estable alrededor del disco en ángulos de ~30° debido a un vórtice toroidal sobre él), todavía es difícil proporcionar una sustentación estable en un amplio rango de velocidades. Además, el disco tiene una resistencia significativa en vuelo hacia adelante: la gran área de la sección transversal frena el vehículo, especialmente a altas velocidades. En el Avrocar, por ejemplo, la velocidad máxima estimada se reduce considerablemente al considerar las pérdidas aerodinámicas reales; es evidente que los 2400 km/h declarados eran impensables. Por lo tanto, la insuficiente relación de sustentación y el elevado frenado parásito son problemas importantes relacionados con la forma del disco.
* La relación de aspecto es la relación entre el ancho y la longitud; por ejemplo, en un avión, una relación de aspecto alta implica alas largas y estrechas (como las de los planeadores): mayor sustentación y mayor eficiencia. Una relación de aspecto baja (alas cortas y anchas, como las de los aviones de combate) implica mayor maniobrabilidad.
** Un vórtice toroidal es un flujo de aire o líquido en forma de anillo que gira alrededor de un centro hueco, similar a un anillo de humo.
El capricho del colchón de aire. Muchos proyectos con forma de disco (Avrocar, Coand?-1910 y otros) dependían de la creación de un colchón de aire o un chorro anular debajo para flotar. Sin embargo, este esquema solo es estable a altitudes muy bajas (dentro de la mitad del diámetro del disco). Tan pronto como el dispositivo se eleva, el “cojín” comienza a perder su forma, la simetría se rompe y el disco colapsa. En las pruebas de Avrocar, resultó que el colchón de chorro se volvía cada vez más inestable a altitudes superiores a 1 metro (varios pies). Esto significaba que el vehículo no podía cambiar con confianza del modo de ascenso al modo de vuelo; a altitudes intermedias, se volvía incontrolable. Intentaron superar esto aumentando la potencia del chorro y modificando el diseño, pero el problema no se resolvió por completo.
Como resultado, las aeronaves con forma de disco combinan las dificultades de una aeronave prácticamente sin cola con un ala ultracorta. Sin soluciones especiales, un vehículo de este tipo resultaría inestable o ineficiente. A continuación, veamos qué enfoques teóricos y de ingeniería pueden garantizar el vuelo estable del “platillo”.
Avión de combate Mirage III, diseñado según el esquema “Tailless”
Las aeronaves con forma de disco se enfrentan a diversos problemas: baja sustentación, alta sensibilidad a las ráfagas de viento, dificultad de control y alta resistencia aerodinámica. Sin embargo, algunos experimentos han demostrado que, en ciertas condiciones, la forma de platillo puede estabilizarse mediante flujos de vórtice, el efecto Coand? o el control activo del flujo. ¿Es posible utilizar estos efectos para crear un disco estable que pueda mantenerse en el aire y maniobrar? A continuación, analizaremos soluciones teóricas que lo hacen posible.
La clave para construir un platillo volador funcional
Los principios tradicionales de la aerodinámica no son adecuados para aeronaves con forma de platillo. Pero ¿es posible sortear estas limitaciones mediante aproximaciones no estándar? En teoría, si la circulación del aire alrededor del disco está correctamente organizada, este puede ganar sustentación adicional y estabilizarse. Las alas delta utilizan vórtices de borde para aumentar la sustentación. ¿Podría funcionar un enfoque similar para un disco? ¿Qué sucedería si utilizáramos chorros de aire controlados o generadores de flujo de plasma? Analicemos los cálculos y modelos que pueden ayudar a estabilizar el vuelo de un vehículo con forma de disco.
Ilustración del proceso de cálculo para un avión con forma de disco. Imagen: DALLE
Cálculo de la fuerza de elevación de un disco
El primer paso es estimar la sustentación que puede proporcionar un ala de disco. Existe una fórmula estándar de sustentación para cualquier aeronave en aerodinámica:
Donde L es la sustentación, ? es la densidad del aire, v es la velocidad del flujo (del aire entrante en relación con el vehículo), S es el área del ala (en el caso de un disco, S = ?R2), y CL es el coeficiente de sustentación, que depende de la forma y el ángulo de ataque.
Esta fórmula también es válida para alas de disco. Por ejemplo, un disco plano con un radio de 5 m tiene un área de S = 78.5 m². Si vuela horizontalmente a una velocidad de v = 100 m/s (?360 km/h) con un ángulo de ataque pequeño, y el coeficiente de sustentación en este ángulo es, por ejemplo, CL = 0.5 (bastante optimista para un disco plano), la fuerza de sustentación será:
Esto equivale a unas 1.2 toneladas de fuerza. Esto no es suficiente para mantener un dispositivo de este tipo en el aire si pesa más (y un disco de 10 metros con sistema de propulsión y combustible puede pesar mucho más de una tonelada). Por lo tanto, para generar suficiente sustentación, el disco necesita una alta velocidad, una mayor superficie o un mayor coeficiente de sustentación (por ejemplo, debido a un perfil curvo o a la circulación forzada de aire).
Características del coeficiente de sustentación CL para un ala en forma de disco. Para un perfil delgado (p. ej., una placa plana) en teoría 2D, el valor CL aumenta aproximadamente linealmente con el ángulo de ataque (en radianes) hasta la pérdida de flujo estable. Sin embargo, para un ala 3D real de envergadura finita (aquí, envergadura = diámetro del disco), el gradiente efectivo es menor debido a los efectos finales (fuga de aire por debajo de los bordes y formación de vórtices finales). El disco tiene una elongación muy baja, por lo que su CL máximo es limitado. Sin embargo, se ha observado experimentalmente que el disco puede generar sustentación en ángulos grandes, formando estructuras de vórtices estables sobre él. Estos vórtices pueden “succionar” aire a la superficie superior, manteniendo la reducción de presión (similar a cómo los planeadores delta o las aves con las alas abiertas en ángulos altos crean vórtices de borde en las puntas de las alas que mantienen el flujo). Así, desde un punto de vista aerodinámico, el disco puede obtener sustentación de dos maneras: clásica (debido a las diferencias de presión debidas al flujo del perfil) y “sustentación” por vórtice (cuando el vórtice sobre el disco actúa como un “pseudoala” dinámico).
Estabilización por vórtices y efecto Coand?
Un método para estabilizar un aparato discoidal consiste en utilizar vórtices y el efecto Coand? para controlar el flujo. El efecto Coand? se basa en la idea de que un chorro de líquido o gas tiende a presionar y seguir una superficie. En el contexto de un platillo volante, esto significa que si se sopla un potente chorro de aire a lo largo de la superficie del disco (por ejemplo, desde el centro hacia el borde desde la parte superior), este fluirá alrededor de la parte hemisférica superior y se curvará hacia abajo a lo largo de los lados, creando una región de presión reducida sobre el disco y desviando el flujo hacia abajo a su alrededor. Esto, simultáneamente, proporcionará sustentación (debido a la rarefacción desde arriba y a la desviación hacia abajo de la corriente en chorro) y, potencialmente, estabilizará el dispositivo, ya que el flujo fluye simétricamente a su alrededor. Avrocar intentó implementar esta idea: el flujo se desviaría hacia abajo mediante válvulas para crear un colchón de aire anular. Al absorber aire de la superficie superior del disco, se suponía que el efecto Coand? lo mantendría en el aire, aumentando la amortiguación inferior y creando un vacío parcial en la parte superior. En esencia, el disco se convierte en un ala cerrada con circulación: la circulación constante de aire alrededor del borde genera sustentación, según el teorema de Kutta-Joukowski.
Ilustración del efecto Coand?. Imagen: freepik
Los vórtices pueden desempeñar una doble función. Por un lado, el efecto giroscópico: si el disco está rodeado por un vórtice anular (por ejemplo, una corriente de aire que se mueve en círculo a lo largo del borde, similar al humo en un vórtice toroidal), según la ley de conservación del momento, esta corriente tendrá cierto efecto estabilizador (similar a la rotación de un frisbee, pero no de todo el cuerpo, sino solo del anillo de aire).
Por cierto, un frisbee necesita girar rápidamente sobre su eje durante el vuelo para mantenerse estable en el aire. Esta rotación crea el momento giroscópico que resiste el cambio de orientación del disco, manteniendo su posición estable. Sin rotación, el frisbee, como cualquier disco plano, perderá rápidamente su estabilidad: incluso una pequeña perturbación puede hacer que se vuelque o caiga bruscamente hacia un lado. El efecto giroscópico convierte esta perturbación en una precesión lenta en lugar de un giro: una rotación suave del plano del disco que no lo desvía del vuelo. Por eso los frisbee se lanzan a alta velocidad angular: cuanto más rápido giran, más estable es su trayectoria. Este principio también explica por qué los vehículos tripulados con forma de disco no pueden girar completamente como un frisbee: la rotación del casco sería peligrosa para la tripulación e inutilizable para el control, por lo que la estabilización debe lograrse por otros medios.
Por otro lado, los vórtices locales (similares a los vórtices del borde del ala) pueden contrarrestar la disrupción del flujo: si el borde del disco está equipado con flaps o ranuras especiales que excitan vórtices controlados con amplios ángulos de ataque, estos vórtices pueden mantener la sustentación y retrasar la disrupción completa. Estos enfoques se han investigado en los conceptos de controlabilidad local de la circulación activa: por ejemplo, instalando pequeñas protuberancias o toberas alrededor del perímetro del disco que generan filamentos de vórtice para la estabilización.
Así, al combinar el efecto Coand? (para crear una circulación global alrededor del disco) y vórtices controlados (para amortiguar las vibraciones y evitar interrupciones), es teóricamente posible lograr un flujo estable en un aparato con forma de disco. El proyecto de Roy, que discutimos en detalle aquí, en realidad usa estos principios: numerosos microchorros de plasma sobre toda la superficie crean una capa deslizante homogénea de aire que se adhiere al cuerpo y se dobla alrededor del disco, creando así una circulación controlada. Cuando el dispositivo se desvía de la horizontal, la electrónica cambia la distribución del chorro de iones, generando los vórtices necesarios para contrarrestar la inclinación y nivelar la posición. Curiosamente, en una entrevista, Roy señaló que su disco de plasma puede estabilizarse automáticamente contra ráfagas de viento precisamente debido a los flujos controlados activamente. Esto demuestra la efectividad de la idea: los flujos de circulación creados artificialmente pueden dar a un dispositivo con forma de disco una estabilidad que sería imposible de lograr pasivamente.
Posibilidad de crear flujos de circulación artificiales
Crear una circulación de aire constante alrededor del disco es clave para crear un platillo volador. Hay varias maneras de lograrlo.
Método mecánico (reactivo). Se equipa el disco con un ventilador o turbina central que aspira aire desde arriba y lo expulsa a alta presión alrededor del perímetro. Este chorro se dirige a lo largo de la superficie inferior o superior (o se divide en ambas) y se curva alrededor del disco debido al efecto Coand?. Así se implementa en Avrocar (turborreactor central y tobera periférica) y conceptos Coand? anteriores. El problema radica en la alta demanda de potencia del motor, ya que para mantener el dispositivo, es necesario impulsar una gran masa de aire a través del sistema. Además, las turbinas mecánicas tienen inercia y no proporcionan cambios de modo instantáneos, lo que dificulta la estabilización dinámica.
Método aerodinámico (circulación pasiva). Dar al disco una forma que favorezca la circulación de forma natural. Por ejemplo, la superficie superior es abovedada y el borde tiene un perfil curvo que ayuda a crear una zona de rarefacción. Si se calcula correctamente el centro de masas y la forma, el disco, al deslizarse hacia adelante, puede absorber el flujo desde arriba y desviarlo lateralmente, creando una circulación similar a la de un ala. Sin embargo, la circulación pasiva es muy sensible al modo de vuelo y a la carga; es poco probable que el disco se mantenga estable en diferentes condiciones (viento, maniobras, etc.) sin elementos activos.
Método de energía (plasma). Al igual que en el proyecto de Roy, una descarga eléctrica acelera el aire a lo largo de la superficie. Los acusadores de plasma (descarga de barrera dieléctrica, DBD) pueden, en términos generales, forzar el flujo de la capa límite de aire a lo largo de la superficie incluso cuando normalmente se produciría una ruptura. Esto crea un flujo artificial independiente del flujo entrante. Para dispositivos pequeños, este método funciona, pero su escalabilidad es limitada: los dispositivos de plasma son eficaces a bajas velocidades y la densidad de fuerza que generan es aún pequeña. Sin embargo, las ventajas son la respuesta ultrarrápida (microsegundos) y la ausencia total de mecanismos. Muchos de estos microchorros pueden sincronizarse, creando la circulación deseada con precisión milimétrica.
Motores de vórtice. Este es un método más exótico: utiliza el principio de una cámara de vórtice para girar el aire dentro del disco hasta formar un vórtice toroidal, que escapará parcialmente de los agujeros al exterior. Por ejemplo, el conocido dispositivo experimental Repulsine (inventado por Victor Schauberger) generó un potente vórtice que, según algunas afirmaciones, podría aligerar el peso de un objeto. Aunque las propiedades antigravitatorias son más bien dominio de la pseudociencia, el principio mismo de liberar potentes anillos de vórtice puede proporcionar potencia de sustentación y un efecto interesante. Los anillos de vórtice disparados hacia abajo empujan el dispositivo hacia arriba (principio de chorro) y, al mismo tiempo, lo estabilizan como un giroscopio.
Ilustración del concepto Repulsine en SW. Imagen: Wiki
La investigación actual combina estos métodos. Por ejemplo, ADIFO utiliza hélices mecánicas para VTOL y propulsión a chorro, combinándolas para proporcionar control. Se puede imaginar otra combinación: un disco con pequeños sectores de abanico alrededor de la circunferencia, cada uno de los cuales puede modificar independientemente el empuje y crear circulación local. Así, el sistema de control contaría con “elementos de timón”. En general, la circulación artificial es el núcleo de un disco volador y, en teoría, con suficiente energía y un sistema de control de alto rendimiento, puede garantizar un vuelo estable.
En teoría, un aparato con forma de disco puede estabilizarse mediante control de flujo activo, como el efecto Coand?, vórtices artificiales, empuje diferencial o chorros de plasma. Pero poner estas ideas en práctica requiere tecnologías avanzadas que aún no se han desarrollado por completo. ¿Existen tecnologías modernas que puedan hacer realidad los platillos voladores? En el próximo texto de la serie, veremos qué soluciones de ingeniería se pueden utilizar para crear un ovni real.
Kyryll Maksymov
Ingeniero especializado en desarrollo aeronáutico e investigación de turbulencias, estudiante de doctorado en aviación. Desde pequeño, me han fascinado el espacio y la ciencia ficción, y siempre he querido participar en el desarrollo del aire y el espacio. Trabajo con soluciones de ingeniería innovadoras para el desarrollo de la aviación. Como parte del equipo de autores de Universe Space Tech, me esfuerzo por ayudar a las personas a comprender mejor los procesos complejos e inspirarlas a realizar descubrimientos audaces.
