Por que a velocidade máxima dos atuais aviões de caça é menor do que a velocidade dos 1960 e 1970?

Velocidade era vida em combate aéreo até a era do jato. Os pilotos que se tornaram generais da Força Aérea nos anos cinquenta haviam aprendido seu ofício nos anos trinta, quando a velocidade era a qualidade mais desejada em um caça. Naturalmente, a capacidade de ser mais rápido do que qualquer adversário era muito importante para eles. Quando os requisitos para novas aeronaves de combate foram escritos nos anos 50, esses generais se certificaram de que uma velocidade máxima mais alta fazia parte da especificação.

Quando essas aeronaves com capacidade supersônica foram usadas em conflitos reais, algo muito surpreendente e imprevisto aconteceu: elas quase nunca voaram em supersônica. Quando a Força Aérea, no final dos anos sessenta, acumulou os dados de voo de vários anos de combate aéreo na Guerra do Vietnã, eles descobriram que todas as aeronaves haviam acumulado apenas alguns minutos no Mach 1.4 e apenas alguns segundos no Mach 1.6 em mais de uma variedade de combates 100,000¹. Nunca o Mach 1.8 foi pilotado em aeronaves otimizadas para o Mach 2.4 (F-104, F-105, F-106A, F-4D / E e F-111).

Para citar neste estudo, por que a velocidade ficou basicamente subsônica:

The first of these reasons lies in the shape of the turn rate vs Mach number relationship for an aircraft. […] In combat, each pilot has the tendency to to fly his aircraft so as to maximize his turn rate. He thus gains angular position on the enemy which, in turn, may permit a missile launch or a gun firing. […] It can be seen that the pilot's urge to maximize his turn rate will unfailingly drive his Mach number to about 0.7. Thus, if the pilot is going to join in combat, […] his speed will inevitably drop to subsonic speeds. […] Note also, that even if the turn rate is held constant while increasing the speed, […] the turn radius and load factor increase, bringing with it increasing problems of keeping the enemy in sight.

A segunda razão apresentada no estudo é a redução drástica de raio de combate (a distância máxima que o avião pode percorrer de sua base, realizar um objetivo e retornar) assim que o avião começar a voar em velocidades supersônicas. Mesmo para voar para a arena de combate, a velocidade supersônica raramente era vantajosa. Northrop estudou uma infinidade de casos de interceptação e descobriu que as velocidades acima do Mach 1.1 quase nunca eram úteis porque reduziam severamente o raio de combate.

Agora você precisa saber que a velocidade máxima é um fator importante no design da estrutura. Voar no Mach 2 + requer entradas pesadas e complexas, uma estrutura resistente ao calor, varredura de asa alta e motores pesados, com desvios baixos. Tudo isso degrada as qualidades de combate em alta velocidade subsônica, que era onde essas aeronaves eram mais usadas. Construir neles a capacidade do Mach 2 + os tornou piores para o que eles realmente eram usados.

A partir do final dos anos sessenta, esta lição foi incorporada aos projetos mais recentes, como o Visto F-16. O discrição diminuiu novamente a importância da capacidade supersônica e a velocidade máxima sustentada do Visto F-22 foi reduzido de Mach 1.8 para Mach 1.6 para reduzir a carga de calor na borda principal da asa composta.

¹ Fonte: Estudo de caso Northrop F-5 em projeto de aeronaves, Série de estudos profissionais da AIAA

Como a velocidade é uma das características importantes, não é a única característica importante (ou hoje, a mais importante) de um avião de combate.

Uma coisa importante a ser observada é que as condições em que a velocidade máxima é atingida são condições bastante restritivas - alta altitude, configuração limpa e pós-combustão - que raramente estão disponíveis em conjunto em combate.

A evolução das velocidades das aeronaves de combate em geral e das aeronaves de combate em particular foi resultado direto das experiências de várias forças aéreas em situações de combate ao longo dos anos.

• A principal razão para o estresse na velocidade dos aviões de combate (pelo menos nos casos iniciais) deveu-se às lições aprendidas na Segunda Guerra Mundial, onde a velocidade extra pode fazer a diferença entre a vida e a morte.

• Depois que os jatos ficaram supersônicos, a principal razão para ter altas velocidades é com o objetivo de interceptar as aeronaves inimigas. A velocidade era o requisito mais importante no caso de aeronaves de combate (interceptores), meio século atrás, pois o interceptador tinha que colocar o intruso sob seu alcance (armas ou mísseis guiados). No entanto, a aeronave (interceptadora) raramente voava supersônica e, à medida que os radares e os mísseis avançavam, a importância da velocidade diminuía.

• Outro motivo importante foi escapar dos mísseis, especialmente da superfície para o ar. A idéia era que a aeronave pudesse superar o míssil, pelo menos a uma altitude. No entanto, essa foi uma causa perdida desde o início, pois os mísseis voaram muito mais rápido que a aeronave. Por exemplo, os mísseis S300 têm uma velocidade máxima de> Mach 7, mais do que o 2 vezes a aeronave que foi projetada para abater. Embora seja necessário que as aeronaves de combate estejam em serviço por décadas, os sistemas de mísseis podem ser desenvolvidos e colocados em campo muito mais rapidamente, apagando todos os ganhos de velocidade obtidos. Como resultado, a maioria das aeronaves configuradas inicialmente para ataques de alta velocidade e altitude mudaram para táticas de penetração em baixa altitude.

• Como a USAF absorveu as lições aprendidas nos anos sessenta, tornou-se dolorosamente óbvio que as aeronaves de combate passavam cada vez menos tempo em velocidades muito altas (> Mach 1.5), enquanto a maior parte do combate se transformou em brigas de cães de perto (em parte devido a regras de engajamento), onde a manobrabilidade, em vez da velocidade, é mais importante.

• Além disso, as experiências das guerras do Vietnã e do Yom-Kippur, onde as aeronaves ocidentais foram contra os sofisticados sistemas de defesa aérea soviética, reforçaram o fato de que a supressão das defesas aéreas inimigas é mais importante que a velocidade.

• O projeto da aeronave para velocidade acrescenta penalidades significativas no projeto da aeronave - a necessidade de entradas de ar complexas (que aumentam o peso), materiais de alta temperatura (que aumentam os requisitos de custo e manutenção), motores de alta potência e baixo desvio (que geralmente não são econômicos em termos de combustível) ) Isso degrada os outros parâmetros de desempenho da aeronave em regime de baixa velocidade (alta subsônica), onde a maioria das operações ocorre.

• Como ficou claro que as aeronaves de combate não vão derrotar um sistema de defesa aérea em virtude da velocidade (ou manobrabilidade), a estratégia novamente mudou - não sendo detectada pelo sistema em primeiro lugar. Essa ênfase na furtividade reduziu ainda mais a importância da velocidade (você só pode aquecer tanto a estrutura composta e os pós-combustores quanto a velocidade são como acender uma tocha no escuro para os sensores de infravermelho) e aprimorou a dos aviônicos e sensores. Hoje, o estresse está em encontrar o inimigo antes de ser detectado e disparar o primeiro tiro.

• Outro motivo para a alta velocidade é que os aviões de combate também foram usados ​​para reconhecimento, onde a velocidade é importante (novamente, para escapar de mísseis). No entanto, os satélites assumiram a maioria dessas tarefas, reduzindo ainda mais a necessidade de velocidade.

O epítome das aeronaves de combate rápido é o Mig-25 soviético, que pode atingir velocidades superiores ao Mach 3. No entanto, essa velocidade teve um custo - as altas temperaturas experimentadas (~ 300 ° C) significavam que o aço tinha que ser usado para a estrutura da aeronave, exigindo sistemas complexos de isolamento e refrigeração para aviônicos e a aeronave raramente voava nessa velocidade devido ao superaquecimento do motor e questões de controle.

Os resultados (de treinamento e simulação) até agora parecem indicar que as aeronaves modernas (quinta geração) (como o F-22) têm desempenho melhor do que as da quarta geração (como o F-15) na maioria das situações, 'derrubando-as' antes mesmo sendo detectado.

Um fator importante é que o modelo de ameaça mudou à medida que o ICBM substituía os bombardeiros como o principal mecanismo de entrega de armas nucleares ao longo dos 1960s.

Chegar alguns segundos atrasado ao interceptar um bombardeiro carregando várias toneladas de bombas convencionais não é bom e pode facilmente resultar em algumas centenas de mortes. Há uma enorme diferença entre isso e estar alguns segundos atrasado em parar um bombardeiro carregando armas nucleares, onde uma única bomba pode matar dezenas ou centenas de milhares de pessoas.

De particular relevância para a sua pergunta, o MiG-25a velocidade do mach 3.2 foi impulsionada pela ameaça do mach 3.0 B-70 programa de bombardeiros de penetração nuclear. Os EUA cancelaram os planos de produzir em massa e implantar bombardeiros B-70, mas os soviéticos mantiveram o MiG25 vivo. Enquanto o MiG25 foi implantado pela primeira vez alguns anos após o cancelamento do programa XB70; os EUA continuaram a construir dois XB-70s e os usaram para fins de pesquisa em todo o 60s. A ameaça de um futuro bombardeiro supersônico baseado na pesquisa não pôde ser contada; e um interceptor significativamente mais rápido que o Mach 2 B58 permaneceria uma parte valiosa de seus planos de defesa nuclear até que o B58 fosse aposentado no 1970.

A velocidade máxima não é a melhor velocidade para lutar. Dois fatores principais em um lutador devem ser levados em consideração:

1. Carregamento de asa.
2. Relação empuxo / peso (Relação T / W).

O carregamento da asa é o peso do avião distribuído pela área total da asa. Isso informa a capacidade da aeronave de se manter sustentada.

A relação T / W é a quantidade de empuxo desenvolvida pelo motor dividida pelo peso da aeronave, e isso informa a aceleração que a aeronave é capaz de alcançar em vôo nivelado. Quando as duas coisas são levadas em consideração, você obtém um segundo parâmetro que é a capacidade de escalar da aeronave (taxa de subida).

Quando a guerra aérea se desenvolveu no WW1/2, uma regra prática para pilotos de caça era que velocidade / altitude era vida. Se você examinar a aeronave como um sistema físico de energia, terá dois tipos de energia à sua disposição: energia cinética (a taxa real de movimento da aeronave) e energia potencial, a altitude da aeronave. Quando você mergulha, você converte energia potencial em energia cinética. Quando você sobe, transforma energia cinética em energia potencial, até o ponto em que seu motor é a única coisa que está inserindo energia no sistema (para atingir o estágio em que a taxa de subida instantânea termina e você começa a ver a taxa de subida sustentada da aeronave) .

Quando sua aeronave gira, ela fica um pouco mais lenta, e o aumento no arrasto induzido gerado pela curva diminui sua velocidade. No jargão do piloto de caça, você está queimando energia. Existem dois (novamente) tipos de turnos, instantâneos e sustentados.

Os estilos de luta foram divididos em dois tipos: Turn and Burn e Lança e zoom.

Virar e queimar significa que ambos os lutadores tentam cumprir cada ordem para entrar na posição de seis horas para disparar, é uma luta horizontal em círculos. Boom and Zoom é uma luta de escalada em que a aeronave mais alta mergulha na outra para fazer uma passagem, disparar e depois subir novamente para não perder a velocidade no ar (e, portanto, energia).

Rapidamente o estilo de lança e zoom foi adotado. Os pilotos experientes só entraram em combate com certeza tendo altitude mais alta que seus inimigos, porque a altitude era um reservatório de energia a ser explorado em combate.

Um lutador / piloto com estilo turn and burn rapidamente desaceleraria e seria incapaz de atacar ou fugir de uma aeronave em posição mais alta.

Por enquanto, tudo bem.

Após a guerra, todos os esforços foram feitos para produzir aeronaves cada vez mais rápidas e aeronaves capazes de atingir grandes altitudes rapidamente. Isso tem dupla vantagem em oferecer uma melhor posição em alta altitude e permitir que esses caças envolvam bombardeiros que chegam.

Tudo mudou quando melhores mísseis e radares a bordo se tornaram disponíveis. Não que os atuais combatentes não precisem ser capazes de brigar, mas porque o míssil se tornou o principal elemento de combate. Dois tipos de mísseis vêm à minha cabeça nesta fase. AAMs e SAMs.

Os radares cada vez mais poderosos (mesmo a bordo) significavam que a aeronave poderia muito bem atacar coisas que estão acima dela, o que significa que as táticas de boom e zoom podem dar errado. Em segundo lugar, um radar permite ver o inimigo antes do contato visual, dando mais tempo para subir a uma altitude semelhante, etc.

Se você estiver voando muito alto, será visto no radar inimigo distante, e os mísseis direcionados por esses radares virão de várias direções. Para entrar no espaço aéreo inimigo, você precisa permanecer baixo, onde a resistência do ar é maior e a maioria das aeronaves não consegue atingir os valores declarados de velocidade. (Vejo Visto F-111 or Su-24 por exemplo).

Os bombardeiros não voarão em níveis estratosféricos como B-29 mais, pelas mesmas razões. Eles precisam entrar no espaço aéreo inimigo em baixa altitude para ter uma chance de sobreviver. Se eles usarem armas isoladas, elas também voarão baixo. Portanto, se você estiver acompanhando um monte de bombardeiros em uma missão ou estiver tentando interceptá-los, eles não serão muito altos.

Quando um radar a bordo tenta travar contra uma aeronave voando baixa, há um problema. Radares anteriores, onde não é possível fazê-lo. Versões mais modernas (chamadas de olhar para baixo / derrubar) são capazes de travar um alvo contra o terreno, mas não com o mesmo desempenho de quando estão olhando para cima. A desordem (ecos falsos) é removida via software. Os detectores de infravermelho funcionam melhor em grandes altitudes (onde o ar é mais frio e um caça quente é mais visível) do que contra o solo quente abaixo, e assim por diante.

Então, em suma, o combate em salas intensivas será realizado em nível médio ou baixo, onde a velocidade é mais lenta devido ao arrasto mais alto. Mesmo assim, todas as aeronaves de combate têm algo chamado velocidade de canto, onde a aeronave é capaz de suportar curvas mais apertadas, e essas velocidades geralmente estão longe de ser a velocidade máxima.

Outro fator é o consumo do motor. Apenas recentemente as aeronaves de super cruzeiro passaram a estar operacionais. Aeronaves de quarta geração em que não é possível romper a barreira do som sem usar pós-combustão, o que aumenta a detectabilidade da aeronave (devido ao aumento da assinatura de calor) e o consumo de combustível.

A mesma aeronave que poderia percorrer o km 1000 sem o uso de pós-combustão, pode muito bem ser incapaz de fazer mais do que o km 300 enquanto estiver queimando o tempo todo.

Todas as coisas levadas em conta, uma aeronave com mais mísseis, melhor radar e tempo de espera mais longo é preferível a caças como os britânicos Relâmpago ou de Visto F-104 que tinha uma velocidade muito alta e uma taxa de subida, mas eram de pernas curtas e carregavam apenas um par de mísseis.