Para hacer frente al desafío, se crea un equipo de diseño en North American cuyo responsable como Ingeniero Jefe es Raymond H. Rice, con Edgar Schmued como Jefe de Diseño y Edward H. Horkey como aerodinamicista. Participan también en los trabajos Louis Waite, Irv Ashkenas, y Roy Liming. A ellos se les une Eastman Jacobs, del NACA (National Advisory Committee on Aeronautics, precursor de la NASA), para colaborar en el diseño del revolucionario perfil de ala laminar que iba a equipar al nuevo avión.
Louis Wait, Raymond Rice y Edgar Schmued, el equipo diseñador del Mustang (foto NAA)
Revelaciones recientes indican que la dirección ejecutiva del proyecto la tomó Edgar Schmued, con el beneplácito de Kindelberger. Rice y Atwood se mantuvieron a cierta distancia de los trabajos y, de hecho, las relaciones de ambos con Schmued no eran demasiado buenas. Había cierto escepticismo ante las decisiones constructivas del ingeniero alemán, y esto se reflejó muchos años después en las polémicas suscitadas entre los protagonistas sobre el origen del Mustang, que duran hasta nuestros días. De hecho, Schmued abandonó la NAA en 1954 para trabaja en Northrop, mientras que Lee Atwood sucedería a Kindelberger en la presidencia de North American.
Volviendo a 1940, los trabajos se centraron en un monoplano de ala baja enteramente metálico, con unas formas muy estilizadas, previstas para alojar un motor en línea de 12 cilindros, el Allison V-1710-F3R. El diseño aerodinámico fue obra de Schmued, que basó sus líneas en el método constructivo clásico de curvas cónicas de segundo grado, utilizado por los constructores navales. Curvas de la familia de la elipse, la parábola y la hipérbola. En palabras de Schmued, “ese es el tipo de formas que al aire le gusta tocar”. El matemático de NAA, Roy Liming, fue el encargado de realizar los dibujos a escala 1:1 de la planta del Mustang para la construcción posterior de herramientas y moldes. Más tarde se jactaría de que el hecho de que el Mustang fuese un avión capaz de volar a Berlín y volver sin repostar era debido a su precisa traslación de las ecuaciones matemáticas al tablero de dibujo. Se diseñó una cabina prolongación del fuselaje, de puerta corredera, y con una instrumentación por primera vez pensada para la máxima eficacia y comodidad en el pilotaje.
En los aviones con motor refrigerado por líquido, el diseño de las tomas de aire para los radiadores era la cruz de los ingenieros, y la solución escogida solía afectar gravemente a la resistencia aerodinámica. Lo habitual en aquellos años era situar tomas de aire en la parte inferior de las alas (intradós) y colocar los radiadores en las mismas. Este hecho aumentaba el rozamiento y limitaba seriamente la eficacia de los perfiles alares, era el caso del Messerchsmitt Bf-109 alemán y el Spitfire inglés. En el Mustang se optó por una alternativa que lo distinguiría de sus competidores. Se diseñó una enorme toma de aire bajo la cabina que se convertiría en la seña de identidad por excelencia del Mustang. De esta forma el perfil alar quedaba limpio en toda su extensión. Además se añadió una compuerta de escape al final del conducto de refrigeración que era regulable y expelía el aire caliente después de haber atravesado el radiador añadiendo algo de empuje extra al aparato, lo que compensaba la resistencia adicional creada por la entrada de aire. El origen de esta solución es polémico hasta hoy día y la idea tiene varios pretendientes. Lee Atwood, en unas declaraciones en 1993 para la revista Air Power History, se atribuyó la paternidad de la solución, argumentándola con una teoría sobre la longitud de los conductos de refrigeración que formuló un científico inglés llamado Frederick W. Meredith, del Royal Aircraft Establishment de Farnborough. Sin embargo, el aerodinamicista Ed Horkey refutó estos argumentos recordando que Atwood en ningún momento tuvo influencia sobre esa parte del diseño y que la decisión surgió por sí sola, al no haber más alternativas posibles. Por otro lado, el diseño del Curtiss XP-46 ya incorporaba esta característica, con lo que cualquiera que hubiera echado un vistazo al XP-46 habría tenido la idea. En cualquier caso, el dispositivo tuvo problemas inicialmente, que fueron brillantemente resueltos por el equipo de Schmued. Durante las pruebas del prototipo en vuelo, se detectaron turbulencias en la entrada de la toma de aire, provocadas por la fricción de la capa límite con el fuselaje justo antes de entrar en el conducto de refrigeración. Esto provocaba un “flameo” del flujo dentro de la toma de aire que afectaba a la refrigeración y aumentaba el rozamiento del aparato en general. La solución la sugirió el aerodinamicista Irv Ashkenas, y fue separar la toma de aire unos centímetros del fuselaje, de manera que parecía que “flotaba” bajo la cabina. Con esta simple medida se aseguraba un flujo uniforme dentro del conducto de refrigeración y desaparecieron las turbulencias. Esta misma solución se aplicaría muchos años después a las tomas de aire de otros aviones de combate, como el F-4 Phantom o el F-16 Figthting Falcon.
La aerodinámica de las superficies del aparato fue cuidada de forma extrema, utilizando tornillos y remaches de cabeza plana, suavizando los encastres alares y estilizando la silueta del avión según el diseño de las superficies realizado por Schmued. Otro gran éxito constructivo fue el ala. Schmued decidió utilizar un nuevo perfil alar llamado de “flujo laminar” desarrollado por el NACA, el organismo público de investigación aeronáutica precursor de la actual NASA, cuya máxima virtud era la de reducir turbulencias alrededor del ala y disminuir drásticamente la resistencia al avance provocada por el rozamiento con el aire. Esto daría al avión más velocidad con la misma potencia, a cambio de reducir algo la sustentación a bajas velocidades, lo cual se compensaba con unos generosos flaps que facilitarían las aproximaciones y aterrizajes. El perfil de flujo laminar era simétrico, muy estrecho, y con el grosor máximo del ala en una posición más atrasada de lo normal. Este tipo de ala retrasa el inicio de turbulencias de la capa límite de aire, con lo que reduce la resistencia inducida. El P-51 fue el primer avión que utilizó este tipo de perfil.
Louis Wait en el túnel de viento del Instituto Tecnológico de California (CalTech) (foto: NAA)
Además, en cada ala se instaló un depósito de 700 litros de combustible. Pero en las pruebas del ala en el túnel de viento de el Instituto Tecnológico de California, los resultados no fueron demasiado alentadores. O el perfil no era tan eficaz como se pensaba, o la velocidad del túnel no era la suficiente para experimentar con un ala de alta velocidad. Sólo había una forma de averiguarlo: encontrar un túnel de viento lo suficientemente potente como para simular las velocidades en las que se movería el caza. Para ello el equipo se desplazó al túnel de la Universidad de Washington. Allí el equipo de NAA salió de dudas: el perfil era totalmente viable.
Se equipó también dentro del ala un tren de aterrizaje de paso muy ancho. Las características de paso ancho del tren facilitaban el rodaje, asunto que no ofrecía ningún problema, a diferencia de otros aviones contemporáneos como el Messerschmitt Bf-109 o el Spitfire.
En general, en el diseño de la estructura del fuselaje y las alas, primó la simplicidad, de forma que el Mustang fue un aparato relativamente barato de construir, otro aliciente más para los ingleses. Por ejemplo, el contorno de las superficies aerodinámicas como alas y estabilizadores de cola se hizo cuadrado, al estilo de los cazas alemanes, una forma mucho más fácil de construir que la curvada. El equipo de NAA pensaba que era erróneo creer que este tipo de siluetas ofrecerían más rozamiento. Las pruebas en el túnel de viento del Instituto Tecnológico de California confirmaron este hecho.
Para el morro estilizado del P-51 se buscó un motor en línea refrigerado por líquido. En aquella época, en Estados Unidos, la elección obvia era el Allison V-1710-F3R que desarrollaba 1120 CV a 3000 rpm. Se trataba de una máquina de 12 cilindros en V de 60º equipada con un sobre-compresor interno de una velocidad y una etapa, y era el único motor refrigerado por líquido de procedencia norteamericana. Su instalación en el morro del P-51 se realizó de forma muy limpia y únicamente fue necesario incluir una toma en la parte superior del morro para la entrada de aire del carburador.
Después de 102 días de trabajos en la factoría de Inglewood, decenas de viajes a los túneles de viento del Instituto Tecnológico de California, de la Universidad de Washington y de solucionar problema tras problema, el prototipo del North American P-51 Mustang, el NA-73X, vio la luz en California el 9 de septiembre de 1940. Un retraso en la entrega del Allison V-1710-F3R, hizo que el avión no estuviera listo hasta el 11 de octubre, día en el que empezaron las pruebas en el suelo.
