El secreto tecnológico detrás del vuelo silencioso del avión hipersónico X-59

El Lockheed Martin X-59 es probablemente el avión más extraño jamás diseñado. Su afiladísimo morro es la mitad de la longitud del avión, no hay cabina a la vista, las alas son diminutas comparadas con todo el fuselaje, su tren de aterrizaje está tan atrás que el avión parece que va a caer de morros en la pista, y su motor de cola sobredimensionado parece una extraña joroba a punto de desprenderse. Pero esta aparente locura tiene una razón de ser. Su diseño es la salsa secreta que ha producido el unicornio imposible: un reactor supersónico que no estalla haciendo estremecer a la gente y los edificios en tierra.

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María Duarte

Según Dave Richardson, director del programa X-59 en Lockheed Martin, el silencioso estampido supersónico del avión no procede de extraños materiales o motores exóticos, sino de su forma. "No hay ninguna tecnología radical en el avión en sí. Realmente es sólo la forma del avión", me cuenta en una entrevista telefónica. Y si esa forma se parece más a una nave espacial alienígena que a un vehículo real creado por seres humanos es porque fue ideada en otra dimensión por ordenadores y humanos, un software especial creado por los ingenieros de la empresa de Bethesda que vive en un mundo virtual alojado en supercomputadores.

Richardson señala que la razón por la que pueden hacer esto ahora y no antes —cuando los principios del vuelo supersónico ‘silencioso’ fueron descubiertos por primera vez por la NASA en los años 70— es la supercomputación y los modelos que Lockheed Martin ha desarrollado. Estos modelos pueden predecir la interacción de las ondas de choque sónicas y cómo se propagan hasta el suelo desde una altitud de 15.000 metros. "Eso no es algo que podíamos hacer unos años", me dice. "Podríamos haber diseñado este tipo de avión, sí. Podríamos haberlo puesto en un túnel de viento, pero habríamos tenido que iterar en el túnel de viento cientos o miles de veces con un gasto enorme y muchos más años en comparación con hacerlo en el ordenador hoy en día."

Si hay alguna tecnología radical detrás del X-59, dice, no está en el avión en sí, sino en las herramientas que permitieron este esfuerzo conjunto de creatividad e ingeniería humano-máquina. Eso es lo que le permitió cumplir las condiciones operativas necesarias para volar "silenciosamente" de NY a LA en 2,5 horas, en lugar de las típicas cinco horas y media que se tarda ahora.

Máxima velocidad, mínimo ruido

Eso fue precisamente lo que la NASA pidió a Lockheed Martin y al resto de la industria cuando hizo un llamamiento para diseñar y fabricar un avión de pruebas que pudiera demostrar que el vuelo supersónico sobre tierra era seguro y tan silencioso como los aviones subsónicos de línea regulares. "La génesis del demostrador de vuelo a baja altura X-59 procede de la NASA, como parte del creciente interés por los viajes internacionales más rápidos", afirma Richardson. "Mi hija vivía en Japón y volar a Japón era una eternidad. Todos nosotros hemos sufrido esos largos vuelos en los que desearíamos pagar más dinero por llegar cuanto antes".

La NASA vio en ello una oportunidad para estudiar la derogación de la actual prohibición de los vuelos supersónicos sobre tierra en la mayor parte del planeta. Puso en marcha un programa llamado Quesst (Quiet SuperSonic Technology). Paralelamente, señala, la organización inició un esfuerzo para derogar estas leyes. Para ello, la NASA sabía que tenía que convertir su investigación sobre el vuelo supersónico en un experimento real que pudiera demostrar que un avión de pasajeros podía superar la velocidad del sonido sin romper ventanas, molestar a millones de urbanitas y provocar infartos al ganado. La misión Quesst tiene estos dos objetivos, según la NASA: en primer lugar, diseñar y construir un avión de investigación X-59 que reduzca el estampido sónico explosivo a un suave golpe para la gente que lo escuche en tierra. Después, "sobrevolar con este avión varias comunidades estadounidenses para recopilar datos sobre las respuestas humanas al sonido generado durante el vuelo supersónico y entregarlos a los organismos reguladores estadounidenses e internacionales". Según la NASA, "estos datos son la clave para elaborar nuevas normativas basadas en el sonido para los vuelos supersónicos sobre tierra, lo que podría transformar el futuro del transporte aéreo."

El viaje de Lockheed Martin con el X-59 comenzó en febrero de 2016 con un contrato de diseño preliminar. "Para nosotros, el proceso de diseño empezó realmente cuando la NASA entabló relación con los distintos miembros de la industria —Boeing, Lockheed y Northrop— e investigó nuestras herramientas y nuestras filosofías de diseño y cómo haríamos un avión de baja altura", recuerda Richardson. Cada una de las empresas volvió con varias propuestas de diseño iniciales, producto de los conocimientos de las personas y los ingenieros sobre el aspecto que debía tener, basados en su experiencia y sus estudios combinados con sus herramientas de dinámica de fluidos computacional, térmica y de análisis aerodinámico.

Lockheed y su rival Boeing probaron con éxito sus primeros prototipos de diseño en una prueba de túnel de viento en 2012. Peter Coen —director del proyecto supersónico de la NASA en el Centro de Investigación Langley de Virginia— dijo que ese momento fue realmente el gran avance para la NASA: "No sólo funcionó sino que nuestras pruebas demostraron que podíamos hacerlo incluso mejor en términos de reducción del ruido de lo que pensábamos al principio". Después de eso, recuerda Richardson, NASA consideró la opción de Lockheed como la propuesta de menor riesgo para cumplir los requisitos de la huella sónica de 75 PLdB basándose en las herramientas propias de modelado y simulación que, según él, les permitieron predecir mejor el comportamiento real del avión. PLdB es una unidad que mide la presión sónica que oyen las personas, en contraposición a los decibelios reales producidos por los estampidos sónicos. Como dice Coen, "los estampidos siguen ahí, pero tu oído es engañado para que oiga un suave golpe".

Finalmente, la NASA concedió a Lockheed Martin un contrato de 247,5 millones de dólares para diseñar, construir y entregar el avión X —la X es tradicionalmente la designación gubernamental que significa que el avión es un prototipo— en abril de 2018. El avión recibió su nombre oficial de las Fuerzas Aéreas estadounidenses en junio de 2018. La teoría funcionaba sí, pero, como dice el aforismo, "en la teoría no hay diferencia entre la teoría y la práctica. En la práctica sí la hay". Silenciar el estampido sónico a gran escala en el mundo físico seguía siendo un enorme reto de diseño. Uno que duró cuatro años (y contando).

Prueba de sonido

El estampido sónico es un fenómeno que ha sidoel talón de Aquiles de los vuelos supersónicos desde que Chuck Yeager rompió la barrera en 1947. Cuando un avión viaja más rápido que la velocidad del sonido, las moléculas de aire se comprimen contra el cuerpo del avión hasta el punto en que producen ondas de choque que se fusionan para formar un estampido sónico, un ruido muy fuerte y molesto que se oye en tierra como una bomba. Este ruido ha sido históricamente un impedimento para la viabilidad comercial de los vuelos supersónicos sobre tierra. El problema es tan serio que el Concorde, el avión supersónico de pasajeros más famoso del mundo, tuvo que enfrentarse a una prohibición total de vuelo sobre tierra debido al estampido sónico poco después de su lanzamiento.

"Los estampidos siguen ahí, pero tu oído es engañado para que oiga un suave golpe"

El Concorde se desarrolló en los años 60, cuando el vuelo supersónico sobre tierra era totalmente legal. En aquella época esto encajaba en el modelo comercial de las compañías aéreas en rutas como Los Ángeles-Londres, un viaje que atraviesa el suelo de Estados Unidos, Canadá y el Reino Unido. "A principios de los años 70, cuando EEUU ilegalizó el vuelo supersónico sobre tierra, el Concorde se volvió realmente ineficaz", dice Richardson. "Sobrevolar tierra en el Concorde a velocidades subsónicas era como conducir un Ferrari en segunda arrastrando un remolque de 12 metros". Esto hizo que a las compañías aéreas les resultara difícil justificar ese coste y el uso del avión se limitó a rutas sobre el mar hasta su retirada en 2003, tras 27 años de funcionamiento. "El verdadero avance para el vuelo supersónico", dice, "sería poder volver a volar sobre tierra, para tener esas rutas largas en las que el vuelo supersónico es más ventajoso".

El Concorde no se diseñó pensando en la reducción del ruido. Aunque fue una maravilla de su época, su diseño de ala delta y sus potentes motores contribuyeron a su estampido sónico. Además, volaba más rápido que el X-59 (Mach 2 frente a Mach 1,4). El X-59, en cambio, se diseñó para gestionar y distribuir las ondas sónicas de una forma diferente desde el principio. "El X-59 es un avión para demostrar que se puede diseñar y volar un avión supersónico silencioso", afirma Richardson. El diseño de la aeronave se optimizó tan meticulosamente para tener una baja resistencia al aire que ni siquiera tiene una cabina frontal.

En su lugar, la cabina está totalmente integrada en el fuselaje y emplea un sistema de visión externa, una característica innovadora que sustituye a la cubierta de cristal tradicional. El piloto navega utilizando una cámara, viendo el exterior a través de una pantalla. Este sistema, necesaria por el alargado y puntiagudo cono del morro del avión que obstruye la visión delantera, tuvo que someterse a una rigurosa certificación de la FAA para su uso en el espacio aéreo norteamericano. "Como no hay parabrisas, el piloto mira con una cámara en una pantalla. Ésa es realmente la mayor tecnología que hay en el avión", dice Richardson. El avión en sí no está hecho con nada exótico. Está hecho con piezas del F-16, el F-18 y otros aviones comunes del mismo estilo. "Ésa era una de las razones por las que la NASA buscaba un avión X de bajo coste, que no tratara de superar los límites de ninguna otra forma que no fuera demostrar que se puede amortiguar el estampido". La única tecnología radical es la que hace que el X-59 sea el X-59. Y no está en el avión sino en tierra, en los ordenadores que han realizado su diseño.

Diseño y construcción

Para llegar al diseño final, el equipo Lockheed Martin Skunk Works —el legendario grupo de diseño aeroespacial avanzado que fabricó aviones secretos como el U-2 y el SR-71 Blackbird— usó un proceso de desarrollo que mezcló el esfuerzo manual con el computacional. Se hacían muchos ajustes en el ordenador, que optimizaba el diseño para los ingenieros. "Nos informaba de lo que teníamos que hacer en el avión", recuerda Richardson. Entonces cambiaban el diseño del avión en el sistema CAD y lo volvían a ejecutar hasta que llegaban a un diseño bastante bueno.

La parte manual empezaba con hacer un modelo real de ese diseño y llevarlo al túnel de viento, donde el equipo aprendió algunas cosas más. A partir de ahí, volvieron al ordenador, lo refinaron una vez más, lo probaron, volvieron a recibir sugerencias de la máquina y repitieron el proceso una y otra vez hasta que llegaron a este diseño de otro mundo.

"Creo que la mayoría de la gente mira el avión y dice, espera, algo va mal. Es demasiado largo. El tren de aterrizaje está demasiado atrás. ¿Y por qué es tan largo el morro? Porque delante no hay nada. ¿Por qué no está la cabina más adelante?" me dice divertido Richardson, Todo eso procede de este proceso repetido mil veces. En el proceso descubrieron que hay unas cuantas cosas que influencian el diseño de un avión de bajo estampido, como ya indicaban en parte las primeras investigaciones sobre estampidos sónicos durante los años 70. "Una de ellas es la relación de finura y longitud. Tienes que ser capaz de estirar y gestionar las distintas ondas de choque en toda la longitud del avión", describe. La otra cosa que debes hacer es llevar el centro de gravedad lo más atrás posible en el avión. El motor y todo lo pesado está ahí detrás, así que ahí es donde está el empuje. Y realmente no ponemos nada en la parte delantera, para tener esa proporción larga y fina".

El proceso de diseño por ordenador también descubrió la regla de área: Puedes ver cómo se hace más gruesa alrededor de la cabina y luego se adelgaza justo antes de la entrada que está en la parte superior. "La otra cosa que queremos hacer es desplazar todo lo que cause algún tipo de discontinuidad en el flujo del aire, como la cubierta o el parabrisas de un avión. Eso crea un gran onda de choque y por eso el equipo se deshizo de ello, acabando con el diseño de la cabina digital,” afirma. También está la entrada para el motor, describe, que está en la parte superior para que la onda de choque que se genera suba al espacio en lugar de bajar al suelo. Las protuberancias que tenemos para los actuadores que mueven las superficies del ala también van en la parte superior. "Ponemos esas protuberancias en la parte superior en vez de en la inferior para que las ondas de choque que se crean allí vayan hacia arriba en vez de ir hacia abajo".

En noviembre de 2018, Lockheed Martin inició la producción de la primera pieza del X-59 en su fábrica de Palmdale, California. Los principales componentes estructurales se ensamblaron en mayo de 2019. En noviembre de 2022, un motor General Electric F-414-GE-100 —como el que propulsa el F-18 Super Hornet de la Marina estadounidense— se acopló al X-59. Desde entonces, el avión se ha sometido a una batería de pruebas, desde comprobaciones de peso y evaluaciones del sistema de combustible hasta evaluaciones de las vibraciones en tierra. Sorprendentemente, el X-59 terminó pesando menos de lo previsto, un logro poco frecuente en el desarrollo de aviones que sorprendió a todo el equipo.

Sin embargo, este viaje no ha estado exento de dificultades. Actualmente, el X-59 se encuentra en la fase de comprobación para garantizar que todos los sistemas estén perfectamente integrados y sean funcionales. Fue necesaria una parada programada de mantenimiento y modificación debido a que las piezas tardaron cinco meses en llegar. Este retraso ha retrasado el vuelo inaugural de la aeronave, previsto inicialmente para diciembre de 2023, a principios de 2024.

Una nueva era de la aeronáutica

Tendremos que esperar un poco más para ver el primer vuelo de esta bestia voladora magníficamente extraña. Después de eso, habrá múltiples pruebas en las que volarán con el X-59 sobre ciudades y zonas rurales, midiendo los decibelios y preguntando a la gente en tierra sobre su impresión. Un inciso curioso: como parte del experimento, Richardson me cuenta que la NASA también dirá a la gente que harán volar el avión sobre sus cabezas cuando, en realidad, no lo harán pero seguirán preguntado sobre el "ruido" de un avión inexistente en esos días.

Si logran sus objetivos, no hay razón para que los fabricantes de aviones no puedan usar los conceptos que ha descubierto Lockheed para la NASA y convertirlos en aviones comerciales, me dice Richardson. De hecho, uno de los requisitos de la NASA para el proyecto era que Lockheed Martin tenía que proporcionar un diseño de avión de pasajeros, como así lo hizo, proyectando un modelo bimotor de 61 metros de largo (el doble que el X-59) para 44 pasajeros. "Creo que el mayor reto que tendría cualquiera que fuera a desarrollar uno de estos aviones de pasajeros será encontrar un motor que vuele a Mach 1,8 sin postcombustión y que sea lo bastante grande para un avión de este tamaño", señala Richardson. Pero eso es factible, afirma. "Puedo imaginar que si hay gente que ve mercado para ello y tiene inversiones para seguir adelante y desarrollar un avión, podrían empezar de inmediato en cuanto se deroguen las leyes de prohibición de los supersónicos". Una vez que lleguen a este punto, probablemente empezaremos a ver nuevas y extrañas formas alienígenas en el cielo, con el diseño del X-59 trascendiendo su naturaleza experimental y marcando el comienzo de una nueva era para los viajes de alta velocidad por todo el planeta.