Motores de tobera vectorial
Análisis comparativo académico de las toberas con control de empuje (TVC) del motor ruso Saturn AL-41F-1S (y su familia) frente al Pratt & Whitney F119 estadounidense — centrándome específicamente en configuración, ventajas y limitaciones de los sistemas de vectorización de empuje.
📌Contexto técnico de los motores y sus toberas
🌀 Saturn AL-41F1 / AL-41F-1S
El AL-41F1 —y su derivado AL-41F-1S utilizado en cazas Sukhoi como el Su-35/Su-57— es un turbofán con postcombustión diseñado sobre la base del AL-31, con mejoras importantes en compresores, materiales y controles digitales. Produce en torno a 88–96 kN en seco y 140–150 kN con postcombustión. �
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Su sistema de thrust vectoring se ha implementado tradicionalmente con toberas de eje circular con pétalos articulados capaces de desviar el flujo en varias direcciones (lo que se denomina a menudo 3D o multiaxis en fuentes rusas), con deflexiones de aproximadamente ±15° y mecanismos hidráulicos o servoactuadores sincronizados. �
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No obstante, según fuentes sobre la implementación en el Su-57 (y el Su-35), el vectoring real es a menudo unidireccional (pitch), y la orientación de los ejes de la tobera está canted o inclinada para producir momentos en roll y yaw mediante vectores diferenciales, más que por un movimiento independiente en todos los ejes. �
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🛠 Pratt & Whitney F119
El F119-PW-100 es un turbofán de baja relación de derivación desarrollado para el Lockheed Martin F-22 Raptor. Entrega alrededor de 156 kN con postquemador (≈35 000 lbf) y fue diseñado desde cero para supercrucero auténtico, con énfasis en fiabilidad, durabilidad y bajo mantenimiento. �
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La característica más conocida de este motor es su tobera vectorial 2D rectangular con control de empuje en el eje de cabeceo: dos flaps divergentes pueden inclinarse hasta ±20° (y en datos de fuentes de ingeniería hasta ±24°) para dirigir el empuje verticalmente. El sistema está totalmente integrado al control de vuelo del avión (FADEC), de modo que el piloto simplemente indica actitud y el sistema coordina superficies y toberas. �
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🔎 Comparación de toberas y configuraciones TVC
Aspecto
AL-41F-1S (Rusia)
F119 (EE. UU.)
Tipo de tobera
Circular con pétalos (axisimétrica)
Rectangular bidimensional
Control de vectoración
Desplazamiento multiaxis teórico (±15°) o unidireccional con canting
Bidireccional en pitch (±20 – 24°)
Integración con controles de vuelo
Tradicional, con vectores adicionales por canting
Altamente integrada con FADEC y control de vuelo
Ángulo máximo de deflexión
~±15°
~±20°
Impacto en firma infrarroja
Variable según recubrimientos
Rectangular ayuda a mezcla y enfriamiento del chorro
Dificultad técnica
Mayor complejidad de articulación 3D
Diseño 2D más simple pero robusto
📌 Ventajas y desventajas de cada configuración
✔️ AL-41F-1S y tobera axisimétrica
Ventajas
Movimiento multieje potencial: la tobera circular articulada con pétalos y actuadores permite, en teoría, deflexiones vectoriales en más de un eje sin recurrir únicamente al eje de cabeceo. �
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Distribución uniforme del flujo: la tobera circular mantiene cierta uniformidad del flujo de escape respecto al contorno, lo que puede ser beneficioso en regímenes variados.
Compatibilidad con aeronaves con TVC “canted”: combinada con ejes inclinados, puede generar momentos en roll y yaw sin toberas 2D planas adicionales. �
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Desventajas
Mayor complejidad mecánica: el sistema de pétalos y actuadores multieje incrementa la complejidad y exige mantenimiento especializado.
Integración de control más compleja: el beneficio total de un motor con verdadera vectorización multiaxis solo se logra con un sistema de control de vuelo adecuado y muy avanzado.
✔️ F119 y tobera 2D rectangular
Ventajas
Simplicidad relativa: un sistema 2D con deflexión sólo en pitch tiene menos grados de libertad mecánicos, ayudando a fiabilidad y reducción de partes. �
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Integración con sistemas de control de vuelo: altamente coordinado con FADEC y fly-by-wire, lo que traduce eficientemente vectores de empuje en maniobrabilidad. �
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Mejora de firma infrarroja: la forma rectangular y la gestión de mezcla del chorro reducen firma térmica en cierto grado. �
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Desventajas
Movilidad vectorial limitada: sólo el eje de cabeceo es activamente controllado por la tobera; roll y yaw dependen del resto de superficies o vectores desequilibrados de motores. �
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Restricciones en maniobras extremas: sin vectoración multieje completa, ciertas maniobras de supermanoeuvrabilidad pueden requerir otras ayudas aerodinámicas.
📍 Conclusión académica
Desde una perspectiva de ingeniería de propulsión aeronáutica, la diferencia clave entre ambos sistemas recae menos en la potencia aislada del motor y más en cómo la tobera orienta el flujo de gases para controlar momentos en el avión:
El sistema ruso (AL-41F1/117S) busca un vectoring más cercano a un modelo multiaxis, ideal para supermaneuverabilidad dinámica independiente del flujo aerodinámico (con la complejidad mecánica que ello implica). �
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El sistema estadounidense (F119) prioriza una vectoración 2D eficaz, confiable y optimizada con el control de vuelo, reduciendo partes móviles y dándole al piloto (y al sistema digital) una herramienta potente y eficiente para maniobras en pitch. �
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En síntesis, la tobera 2D del F119 sobresale en robustez operativa y en integración digital, mientras que la tobera axisimétrica del AL-41F1 ofrece mayor flexibilidad física de vectorización, a costa de mayor complejidad mecánica y de control. �
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1. Fundamento físico de la vectorización de empuje
La vectorización del empuje (Thrust Vector Control, TVC) introduce momentos de control adicionales al desviar el chorro del motor respecto al eje longitudinal de la aeronave. A diferencia de las superficies aerodinámicas, el TVC:
No depende del flujo dinámico (permanece efectivo a bajo ángulo de ataque, baja velocidad o post-stall).
Actúa directamente sobre el centro de masas mediante un brazo de momento corto pero energéticamente muy potente.
Interactúa con el sistema de control de vuelo como una fuente de momento primario, no auxiliar.
La diferencia esencial entre el AL-41F-1S y el F119 no es “cuánto” vectorizan, sino en qué ejes, con qué arquitectura y con qué filosofía de control.
2. Configuración geométrica de las toberas
2.1 Tobera axisimétrica articulada (AL-41F-1S)
La tobera del AL-41F-1S mantiene una sección circular con pétalos móviles que permiten inclinar el eje del chorro. Conceptualmente, el sistema admite deflexión continua del vector de empuje dentro de un cono angular, aunque en la práctica operativa suele priorizarse un eje dominante.
Esquema conceptual simplificado
↑ Pitch
|
| ⤴ Vector de empuje
| /
-----O----- → Eje longitudinal
\
⤵
↓
Características clave:
El chorro permanece axisimétrico, conservando eficiencia isotrópica.
La deflexión puede combinarse con ejes de motor inclinados (canting) para producir momentos secundarios en yaw y roll.
El control fino depende de la sincronización de pétalos, lo que introduce complejidad cinemática.
Desde el punto de vista estructural, la tobera se comporta como un sistema cinemático redundante, capaz de múltiples soluciones geométricas para una misma orientación del vector.
2.2 Tobera bidimensional (2D) del F119
La tobera del F119 es rectangular, plana y bidimensional, con dos flaps principales que controlan exclusivamente el eje de cabeceo.
Esquema conceptual:
Copiar código
┌───────────┐
│ │
│ Chorro │ ← Vector inclinado
│ │
└───────╲───┘
↑ Pitch
Características clave:
La sección rectangular rompe la simetría radial, pero simplifica el control.
La vectorización está restringida a un único grado de libertad, pero con mayor ángulo máximo.
La geometría favorece la mezcla del chorro con aire frío, reduciendo firma infrarroja.
Aquí la tobera no busca flexibilidad geométrica, sino predictibilidad dinámica, ideal para un sistema de control de vuelo altamente automatizado.
3. Integración con la arquitectura de control de vuelo
AL-41F-1S: enfoque cinemático-aerodinámico
En la filosofía rusa, la tobera vectorial se concibe como una extensión directa de la maniobrabilidad del avión, incluso a costa de:
Mayores cargas estructurales transitorias.
Régimen post-stall prolongado.
Separación más laxa entre control aerodinámico y propulsivo.
El piloto (o el sistema) puede explotar la vectorización para romper el equilibrio aerodinámico, entrar en estados altamente no lineales y luego recuperar control.
F119: enfoque sistémico-integrado
En el F-22, la tobera del F119 forma parte de un ecosistema de control cerrado, donde:
El piloto no “ordena” vectorización, sino actitud deseada.
El FADEC decide cuánto empuje vectorial usar, y cuándo.
La prioridad es estabilidad controlada, no exhibición cinemática.
Esto reduce el riesgo de pérdida de control y optimiza la gestión energética en combate BVR y WVR.
4. Maniobras favorecidas por cada configuración
4.1 AL-41F-1S: dominio del régimen post-stall
La tobera axisimétrica favorece maniobras donde el flujo aerodinámico está parcial o totalmente separado:
Cobra de Pugachev: el empuje vectorial sostiene el cabeceo extremo incluso sin sustentación efectiva.
Kulbit: rotación completa alrededor del eje transversal, imposible sin empuje vectorial continuo.
Yaw-kick a baja velocidad: cambios bruscos de orientación para forzar overshoot del adversario.
Estas maniobras son útiles en combate visual extremo, aunque con alto coste energético.
4.2 F119: optimización del control energético
La tobera 2D del F119 no está pensada para acrobacia post-stall prolongada, sino para:
Reducir radio de giro instantáneo sin aumentar ángulo de ataque crítico.
Mejorar la autoridad de control en trepadas supersónicas.
Estabilizar el avión en supercrucero con mínima penalización de arrastre.
El resultado es una maniobrabilidad más “limpia”, integrada en el envelope completo de vuelo.
5. Síntesis comparativa final
Desde una perspectiva estrictamente ingenieril:
El AL-41F-1S representa una solución geométricamente flexible, capaz de generar momentos complejos incluso en ausencia de sustentación, ideal para doctrinas que valoran la supermaniobrabilidad visible y el combate a muy corta distancia.
El F119 encarna una solución funcionalmente restringida pero sistémicamente superior, donde la vectorización no amplía el envelope de forma dramática, sino que lo hace más eficiente y controlable en todo momento.
En última instancia, no se trata de cuál tobera es “mejor”, sino de qué concepción del combate aéreo y del control de la aeronave se desea privilegiar:
la cinemática extrema frente a la integración energética total.
III
Desarrollo entonces la comparación directa entre el Saturn AL-51 (Izdeliye 30) y el Pratt & Whitney F135, con énfasis en la tobera y la filosofía de vectorización.
1. Marco general: motores de “quinta generación madura”
Tanto el AL-51 (Izdeliye 30) como el F135 representan una segunda iteración dentro de sus respectivos programas de quinta generación:
El AL-51 está concebido como el motor definitivo del Su-57, sustituyendo al AL-41F-1 en términos de empuje, eficiencia y reducción de firma.
El F135 es el motor único del F-35, optimizado para un programa multinacional, con variantes CTOL, CV y STOVL.
Ambos motores no deben evaluarse solo como sistemas propulsivos, sino como nodos estructurales dentro de una arquitectura furtiva, térmica y digital.
2. El Saturn AL-51 (Izdeliye 30)
2.1 Arquitectura general
El AL-51 es un turbofán de baja relación de derivación, diseñado desde cero (no como derivado del AL-31), con los siguientes objetivos explícitos:
Incremento significativo de empuje específico.
Reducción de consumo específico (SFC).
Mayor vida útil y menor masa.
Compatibilidad plena con supercrucero sostenido.
Se estima un empuje del orden de ≈107–110 kN en seco y ≈176–180 kN con postcombustión, lo que lo sitúa por encima del F119 y cerca del F135 en potencia bruta.
2.2 Tobera del AL-51: vectorización y firma
La tobera del AL-51 mantiene una configuración axisimétrica, pero con cambios importantes respecto al AL-41F-1S:
Reducción del número de pétalos, con geometría optimizada para disminuir discontinuidades.
Materiales cerámicos y compuestos con mayor tolerancia térmica.
Tratamientos orientados a disminuir la firma infrarroja y radar.
En cuanto a vectorización:
Se preserva la capacidad de desviación del vector de empuje, al menos en pitch.
El diseño sugiere una transición hacia una vectorización más integrada y menos “cinemáticamente ostensible” que en generaciones anteriores.
La prioridad parece ser control post-stall funcional, no maniobra demostrativa.
En síntesis, el AL-51 intenta reconciliar la tradición rusa de TVC axisimétrico con los imperativos furtivos, algo históricamente problemático.
3. El Pratt & Whitney F135
3.1 Arquitectura general
El F135 es el turbofán militar más potente en servicio actualmente, con un empuje máximo cercano a 191–195 kN con postcombustión, dependiendo de la variante.
Sus rasgos definitorios son:
Extrema robustez estructural.
Alto nivel de integración digital (FADEC).
Capacidad de alimentar sistemas eléctricos y térmicos del F-35.
Diseño modular para mantenimiento a gran escala.
A diferencia del AL-51, el F135 no busca supermaniobrabilidad, sino persistencia operativa, fiabilidad y gestión térmica avanzada.
3.2 Tobera del F135: ausencia deliberada de TVC (excepto STOVL)
En las variantes F-35A y F-35C, la tobera es:
Axisimétrica convencional.
Sin vectorización activa de empuje.
Optimizada para reducción de firma térmica y radar, con mezcla de flujo y enfriamiento del chorro.
La excepción es el F-35B, cuya tobera gira 90° para vuelo STOVL, pero esto no constituye TVC maniobrable, sino vectorización funcional vertical, incompatible con combate aéreo.
La ausencia de TVC no es una carencia técnica, sino una decisión doctrinal:
el F-35 confía el control extremo a sensores, fusión de datos y armas, no a maniobras post-stall.
4. Comparación directa de toberas y filosofía
Aspecto
AL-51 (Izd. 30)
F135
Tipo de tobera
Axisimétrica avanzada
Axisimétrica (no TVC)
Vectorización de empuje
Sí (al menos en pitch)
No (excepto STOVL vertical)
Enfoque furtivo
Compromiso entre TVC y stealth
Prioridad absoluta a stealth
Complejidad mecánica
Alta
Moderada
Integración con control de vuelo
En evolución
Totalmente cerrada
Doctrina implícita
Supermaniobrabilidad + sigilo
Dominio informacional + BVR
5. Implicaciones aerodinámicas y operativas
AL-51
La presencia de TVC implica que el Su-57:
Puede mantener autoridad de control a altos ángulos de ataque.
Conserva capacidades post-stall que amplían el envelope cinemático.
Asume un mayor desafío de firma que debe compensarse con materiales y gestión térmica.
Es una solución que busca flexibilidad táctica, aceptando cierta penalización sistémica.
F135
El F-35, al prescindir de TVC:
Reduce complejidad y vulnerabilidades mecánicas.
Mantiene una firma térmica y radar más controlada.
Depende de su ventaja situacional para evitar el combate cinemático extremo.
Aquí, la tobera no es un instrumento de maniobra, sino de discreción y persistencia.
6. Conclusión sintética
El AL-51 representa un intento de síntesis: conservar la vectorización de empuje como herramienta de control avanzado, pero adaptándola —por primera vez de forma seria— a un entorno furtivo.
El F135 encarna la negación doctrinal del TVC en combate aire-aire moderno, apostando por que la maniobra extrema es un problema que debe evitarse, no resolverse aerodinámicamente.
En última instancia, el contraste entre ambas toberas no es técnico, sino filosófico:
el AL-51 aún concibe el motor como un actor dinámico del combate, mientras que el F135 lo entiende como un facilitador silencioso de una guerra decidida antes del primer giro.
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