AVIÕES MILITARES: Vought XF5U - A panqueca voadora

Panqueca voadora, Bolacha voadora, Disco voador ou Zimmer skimmer, foram os nomes usados para descrever os pouco ortodoxos Vought V-173 e Vought XF5U-1 desenhados por Charles H. Zimmerman durante a segunda guerra mundial. A pesquisa de Zimmermann levara-o a conceptualizar uma aeronave em forma de disco com grandes hélices que deveria ser capaz de descolar e aterrar em pistas curtas, manter a sustentação de voo a velocidades muito baixas, e ser capaz de atingir velocidades tão elevadas como as melhores aeronaves convencionais da sua época, permitindo simultaneamente uma elevada manobrabilidade.
O sucesso do Vought V-173 construido como prova de viabilidade do conceito, chamou a atenção da US Navy, que contrataria a Vought para a construir o protótipo de um caça com as mesmas características, o Vought XF5U-1. Embora tenham sido construidos dois protótipos, os atrasos, resultado de inúmeras dificuldades técnicas, e a redução do orçamento da US Navy após o fim da guerra conduziriam ao cancelamento do programa de desenvolvimento antes que o XF5U tivesse oportunidade de demonstrar se era ou não viável.

GALERIA

V-173

V-173 em voo

V-173 depois de restaurado

Maqueta do VF5U

VF5U

HISTÓRIA

Origem - O Vought V-173

Na década de 1930, Charles H. Zimmerman tornou-se determinado em projetar uma aeronave com asas de baixo alongamento e forma discoidal (discoide). Zimmerman acreditava que grandes, hélices de rotação lenta colocados nas pontas das asas da aeronave iriam eliminar os vórtices de ponta de asa, fornecendo um fluxo de ar uniforme sobre a toda a aeronave que se traduziria num efeito equivalente a uma maior envergadura.

V-162

Além disso, as hélices forneceriam um fluxo de ar contínuo sobre superfícies de controlo da aeronave, mesmo a velocidades muito baixas. A aeronave seria capaz de executar pousos e decolagens curtas, manter o controlo em velocidades muito baixas e teria uma elevada velocidade máxima.

Enquanto trabalhava na NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), Zimmerman, ganhara em 1933 um concurso para o projeto de uma aeronave ligeira com asas de reduzido alongamento, mas o seu desenho, a que chamara “Aeromobile”, era demasiado radical para ser construído

Os desenhos constantes da patente de Charles Zimmerman de 1935, mostram uma asa voadora de baixo alongamento alar, com três ocupantes, posicionados de bruços, muito semelhante ao futuro Vought V-173. Os dois motores no corpo da aeronave estavam ligados à hélices por uma complexa transmissão com longos veios interligados que permitiam que ambas girassem à mesma velocidade e continuassem a girar mesmo que um dos motores falhasse.

Modelo de tunel de vento do V-173

Para testar a sua teoria Zimmerman e alguns amigos construíram uma pequena aeronave de prova conceitual com 2.1 metros de envergadura com dois motores Cleone de dois cilindros e 25cv. Apesar de várias tentativas a aeronave nunca levantaria voo, o que se terá ficado a dever à incapacidade para sincronizar as hélices devido à supressão da transmissão cruzada devido ao reduzido tamanho da aeronave.

Devido ao insucesso, deu um passo atras e voltou aos modelos. Por volta de 1936 tinha construído um modelo com 50,80 centímetros com um motor de elástico, com o qual realizou voos experimentais com sucesso, e os seus colegas na NACA encorajaram-no a continuar o trabalho e a procurar financiadores. Zimmerman acabaria por ser contratado pela Vought Aircraft em 1937 para continuar o desenvolvimento.

A natureza radical do design de Zimmerman levantava inúmeras duvidas sobre a real utilidade de uma aeronave com aquelas características e por isso a USAAC recusou várias propostas. Porém a US Navy via inúmeras vantagens numa aeronave de pequena envergadura com capacidade de realizar aterragens e descolagens curtas para operar em porta aviões. Na verdade, tal aeronave poderia operar a partir de praticamente qualquer grande navio. Em 1938, a US Navy aceita financiar o Vought V-162, um modelo para testar a ideia de Zimmerman. O modelo alimentado por motores elétricos e operado por duas pessoas demonstrou o suficientemente do projeto para que a US Navy, em de maio de 1940, contratasse a Vought para construir um avião de teste em tamanho real, que seria designado por V-173 pela Vought (#02978).

A fuselagem do Vought V-173 o foi feita principalmente de madeira, com a estrutura da frente e nacelas das hélices em alumínio. A parte dianteira da fuselagem e em redor da cabina do piloto tinha revestimento de madeira e a restante fuselagem era coberta de tecido.

Visto da retaguarda, o V-173 é muito semelhante
ao futuro VF5U

Alojados na fuselagem da aeronave estavam dois motores Continental C-75 de quatro cilindros e 3,1 litros refrigerados a ar, com 80cv cada. Um eixo cruzado logo atras do cockpit ligava os dois motores a uma caixa de velocidades que sincronizava a velocidade das hélices e permitia que ambas continuassem a rodar sem um dos motores falhasse.

Através dos eixos e caixa de velocidades, os motores moviam duas hélices de passo variável de três pás em madeira com 5,06 metros de diâmetro. As lâminas eram articuladas dentro do cubo da hélice com amortecedores hidráulicos que limitavam a sua articulação. O ângulo de inclinação das lâminas era ajustado no solo.

A vista inferior do V-173 mostra janelas no bordo de ataque da aeronave, e após o primeiro voo foram instaladas aletas estabilizadoras com superfícies de controlo á retaguarda lateralmente aos dois estabilizadores verticais gémeos.

Sob o V-173 duas pernas longas e fixas apoiavam a aeronave num angulo acentuado de 22,25 graus.

V-173, em pleno voo

A envergadura do V-173 eram 7,10 metros, mas considerando os dois estabilizadores horizontais a largura máxima da aeronave eram 10.6 metros, por 8.1 metros de comprimento.

Entre novembro e dezembro de 1941 o V-173 foi testado no túnel de vento da NACA em Langley onde os resultados encorajaram a US Navy a solicitar a Vought uma proposta para um caça baseado na aeronave, que viria a ser o Vought XF5U-1.

Após um prolongado período de testes no solo o V-173 voou pela primeira vez em novembro de 1942.

Vários pilotos, incluindo Charles Lindberg, voaram com o V-173, ao longo da sua carreira como aeronave experimental durante a qual foi sujeita a melhorias e experimentou algumas aterragens violentes que lhe provocaram danos menores. A mais grave ocorreu em junho de 1943 quando o piloto da Vought Richard Burroughs fez uma aterragem de emergência por falha nos motores capotando o V-173. Apesar do aparato ninguém ficou ferido e os danos na aeronave foram menores.

Do aparatoso acidente em junho de 1943, apenas resultaram
ligeiros danos no V-173

O V-173 provou para ser praticamente à prova de perda de sustentação. Em nenhum momento durante os testes o avião entrou em perda de sustentação ou em espiral independentemente da volta que era forçado a executar. A velocidade máxima da que atingiu foram 138 km/h, tendo subido aos até aos 1500 metros em 7 minutos.

No geral, o V-173 voou como esperado, mas não de forma inteiramente satisfatória, pois tinha fraca potência e manifestava constantemente problemas de vibração causados pelos redutores de hélice e eixos de transmissão que nunca foram resolvidos. A aeronave fez cerca de 190 voos, o ultimo dos quais em março de 1947 e acumulando um total de 131 horas de voo.

O V-173, foi doado ao National Air and Space Museum em setembro de 1960. Restaurado em 2012 pela Vought Aircraft Heritage Foundation encontra-se hoje no Frontiers of Flight Museum em Dallas.

Vought XF5U Flying Flapjack

Na sequência dos bem-sucedidos testes em túnel de vento do V-173 no final de 1941 a US Navy solicitou à Vought uma proposta para um caça de asas de baixo alongamento de linhas semelhantes. Charles H. Zimmerman tinha trabalhado num design para esse efeito desde inícios de 1940, antes do V-173, e por isso ele e a sua equipa conseguiram rapidamente concluir o projeto VS-315 para apresentar à US Navy que em setembro de 1942 apresentou uma carta de intenções para dois protótipos a designar por XF5U-1.

Maqueta do XF5U com hélices de três pás e
com os pontos de instalação das armas claramente visíveis

A patente de avião de combate pedida por Charles Zimmerman em 1940 descrevia na generalidade a configuração usada no Vought XF5U, que tinha uma forma muito semelhante ao V-173 mas maior e mais pesado.

A fuselagem, que se confundia com a asa em forma de disco do XF5U, cujo esboço básico fora definido por duas elipses, era construída com uma estrutura rígida de alumínio revestida de Metalite, um leve e resistente compósito composto por uma camada de madeira de balsa ensanduichada entre duas folhas de alumínio, forneceria a sustentação necessária à aeronave, de reduzida envergadura, e com duas grandes hélices contra rotativas posicionadas bastante à frente, de cada lado da fuselagem. Na parte traseira da aeronave posicionavam-se dois estabilizadores verticais com dois flaps de estabilização entre eles, simetricamente posicionados no borda de fuga da asa sobre a linha central do avião, e dois estabilizadores horizontais totalmente moveis (stabilator - all-flying tail ), de controlo hidráulicas que funcionavam como lemes de profundidade e ailerons, cuja envergadura se prolongava para além do limite da asa disciforme.

Dezenho esquemático do conjunto motopropulsor do XF5U

Normalmente, uma asa de tão baixo alongamento sofreria de um mau desempenho devido ao elevado arrasto induzido, criado nas pontas pelos vórtices que aí se formam. A abordagem usual para reduzir esses vórtices é construir uma asa com uma de elevado alongamento, ou seja, uma asa longa e estreita. No entanto, essas asas comprometem a capacidade de manobra e a velocidade de rotação da aeronave, ao mesmo tempo que apresentam um desafio estrutural para construí-las com rigidez suficiente. O XF5U resolveria o problema dos vórtices de ponta usando as hélices para os eliminar ativamente. As hélices seriam configuradas para girar na direção oposta aos vórtices da ponta, com o objetivo de reter o ar de alta pressão abaixo da asa. Com essa fonte de arrasto eliminada, a aeronave voaria com uma área de asa muito menor, e a asa pequena produziria elevada manobrabilidade com maior resistência estrutural.

A maqueta do XF5U foi concluída em junho de 1943, prevendo hélices de três pás e uma única porta para os trens de aterragem principais, componentes diferentes das usadas no protótipo. O painel de acrílico por baixo do nariz destinava-se, provavelmente, a melhorar a visibilidade do solo em substituição das janelas do bordo de ataque no V-173.

O cockpit posicionava-se mesmo na frente logo a seguir ao bordo de ataque, coberto por uma canópia em bolha, que era acedido através de uma série de “passos” embutidos no revestimento de Metalite da fuselagem que levaram até a parte traseira da aeronave. O piloto sentava-se num assento ejetável, montado para permitir que o piloto saísse para fora da área de atuação das enormes hélices no caso de uma emergência em voo. O nariz em acrílico do XF5U abrigava a câmara da arma e tinha provisão para luzes de aproximação e aterragem.

Vista frontal inferior do XF5U, ainda com hélices

Hamilton Standard do Corsair F4U-4

O trem a aterragem era totalmente retrátil incluindo a roda dupla da cauda. O trem principal tinha uma altura de 4,9 metros que colocava a aeronave num ângulo de 18,7 graus em relação ao solo, e podia ser acoplado ao cabo da catapulta de porta-aviões para descolagens assistidas. Para aterragens dispunha de um gancho de retenção que era largado da superfície superior do XF5U para a retaguarda da aeronave durante a aterragem.

O armamento (nunca instalado no protótipo) consistiria em seis metralhadoras de 12,7 milímetros, três de cada lado do cockpit, com provisão para que a arma da posição inferior fosse substituída por um canhão de 20 milímetros. Por baixo da fuselagem dois pontos externos de fixação poderiam transportar cada um, uma bomba de 454 quilos.

Originalmente, o XF5U era para ser alimentado por dois motores Pratt & Whitney R-2000-2 de 14 cilindros com 1600cv, mas devido ao seu cancelamento, foi decidido utilizar dois Pratt & Whitney R-2000-7 de 1350cv. Os motores foram colocados bem no interior da fuselagem sendo a ar necessário a sua refrigeração obtido por ventiladores com grandes entradas no bordo de ataque da aeronave com saídas nas parte superior e inferior das nacelas dos motores.

Vista da retaguarda do XF5U com os passos de acesso
à cabina visiveis do lado direito (destinavam-se
a proteger a superficie de Metalite)

A potência dos motores era transmitida às hélices através de um complexo sistema de transmissão, com vários eixos, engrenagens e caixas de transmissão e redução com um ângulo de 90 graus, conectado a ambos os motores por um eixo transversal montado entre os redutores na frente dos motores, para em caso de falha de um motor, a potência do outro ser distribuída uniformemente pelas duas hélices. Os motores eram controlados por uma única alavanca e não poderiam ser operados de forma independente (exceto no arranque).

A complexa transmissão foi na realidade a causa do abandono do projeto, pois o sistema era tão complexo que pouco a pouco ficou claro que seria difícil que funcionasse na perfeição quando sujeito às exigências operacionais.

A US Navy acabaria por decidir investir em aeronaves a jato em vez de gastar parte do orçamento num projeto cujo resultado tinha poucas garantias de sucesso.

Em meados de novembro de 1943, os testes com o V-173 concluíram pela necessidade de usar no XF5U um sistema de hélices articuladas, cujo passo seria controlado em conjunto e em simultâneo. Mas como a construção das novas hélices se atrasou foram temporariamente utilizadas a hélices Hamilton Standard Hydomatic como as usadas no Corsair F4U-4.

O primeiro XF5U ficou concluído para testes no solo, (com hélices do F4U-4) em agosto de 1945, um ano antes das hélices articuladas estarem prontas para serem instaladas.

As hélices projetadas para o XF5U - ao contrário das hélices contra-rotativas do V-173, que reduziam o torque - deveriam ter um movimento cíclico integrado, como o rotor principal de um helicóptero , com uma capacidade ainda que limitada de deslocar o seu centro de sustentação para cima e para baixo para ajudar a aeronave em manobras. As duas novas hélices de atuação hidráulica, de ação rápida e eletromecânica possuíam quatro lâminas em “pregwood” (um material compósito formado por madeira impregnada em plástico) e cubos de alívio de carga que diferiam do cubo convencional de quatro vias, na medida em que as lâminas mudavam de angulo aos pares operando dessa forma como flaps sobre o eixo. O angulo da lâmina em baixo passo era de 15 graus, e em alto passo era de 70 graus. O controlo de passo da hélice ajustava o mecanismo do regulador da hélice da esquerda que controlava eletronicamente o mecanismo do regulador da hélice direita e ajustava o ângulo da lâmina da hélice. O movimento da alavanca de controlo do passo para cima diminuía o passo, e para baixo aumentava-o. A posição de avanço completo definia as rotações de decolagem (2700) e as restantes posições mais atrás definiam as rotações em voo entre as 1300 e as 800 rpm. Havia também o controle de aceleração mais convencional que funcionava em três slots: "WARM-UP", "TAKE-OFF" e "FLIGHT".

Vista lateral do XF5U que evidencia o passo das hélices

Os testes do XF5U no solo, já com as novas hélices instaladas começaram em fevereiro de 1947 mas os problemas com a nossa hélice vieram de imediato à tona, nomeadamente o excesso de vibração que transmitia a toda a aeronave.

Por outro lado o local onde os testes se iniciaram mostrou-se inadequado e o transporte da aeronave para outro local era impossível de fazer por terra devido a sua dimensão. Confrontada com este problema e com a falta de fiabilidade das hélices a US Navy decidiu cancelar todas as atividades do programa do XF5U em março de 1947.

O XF5U nunca chegaria a voar mas o seu desempenho estimado manifestava características impressionantes. Poderia descolar em 216 metros com nenhum vento contrário e em 91 metros com um vento de 56 km/h. Tinha uma velocidade máxima estimada de 684 km/h e uma velocidade mínima de voo de 64 km/h. A taxa de subida estimada era de 15,2 m/s com um teto de 9754 metros, e o seu alcance com o combustível interno (988 litros) era de 961 km que podia ser estendido até aos 1854 km com uso de dois tanques externos nos pontos de fixação. O seu peso vazio era de 6600 kg e o peso máximo à descolagem seriam 8581 kg.

XF5U em 1945 ainda com hélices Hamilton Standard

Em março de 1949, o contrato foi definitivamente cancelado com ordens para destruir o único protótipo sobrevivente, pois o protótipo destinado aos testes no solo XF5U-2 (#33959) tinha ficado irremediavelmente danificado durante os testes.

O XF5U-1 (# 33958) destinado a realizar o voo de teste, acabaria esmagado por uma bola de demolição. Embora a fuselagem tivesse resistido aos primeiros impactos acabaria por sucumbir até ficar totalmente destruída.

É lamentável que uma aeronave radical, e tão perto de realizar o primeiro voo não tenha realmente voado mas por esta altura já o avião a jato demonstrava ser o futuro da aviação.

Charles H. Zimmerman, continuou a trabalhar em projetos de aeronaves VTOL durante o resto de sua carreira.