El vuelo en formación es el vuelo de múltiples objetos en coordinación.
Introducción
El vuelo de formación en la aviación se originó en la Primera Guerra Mundial cuando se asignaron aviones de combate para escoltar aviones de reconocimiento. [1] Se encontró que los pares de aviones eran más efectivos en combate que los aviones individuales y, por lo tanto, los aviones militares siempre volarían en formaciones de al menos dos. [1] Para la Segunda Guerra Mundial, los pilotos habían descubierto otras ventajas estratégicas para el vuelo en formación, como una mayor estabilidad y una visibilidad óptima. [2] Sin embargo, se sabe que las aves reciben beneficios de rendimiento del vuelo en formación durante más de un siglo, a través de la teoría aerodinámica de Wieselsberger en 1914. [2] [3] En la actualidad, se han realizado una multitud de estudios sobre los beneficios de rendimiento de los aviones. volando en formación. [2]
Mecanismo de reducción de arrastre
Es un malentendido común relacionar la reducción de la resistencia en el vuelo organizado con la reducción de la resistencia en la redacción . Sin embargo, son bastante diferentes mecánicamente.
La reducción de arrastre que se produjo en el arrastre se debe a una reducción en la velocidad del flujo a raíz de un vehículo adelantado, lo que reduce la cantidad que el flujo necesita para acelerar para moverse alrededor de la carrocería, reduciendo la presión frente al vehículo de remolque. Esto conduce a una menor diferencia de presión entre las superficies proyectadas frontal y trasera de la carrocería y, por lo tanto, a una menor resistencia. Esto también se puede entender de manera algo tautológica a través de la ecuación de arrastre común para un cuerpo, dónde es el número sin unidades obtenido experimentalmente, es la densidad del medio fluido a través del cual viaja el objeto, es el área de la sección transversal normal a la dirección del flujo medio, y es la velocidad del flujo medio. Puede observarse mediante la inspección que una disminución de la velocidad media generará menos fuerza de arrastre, como es el caso del estirado. [ cita requerida ]
En yuxtaposición, la reducción de arrastre que sienten los agentes de arrastre en el vuelo de formación puede considerarse más como los agentes de arrastre "surfeando" en los vórtices desprendidos por las alas de los agentes líderes, [4] reduciendo la cantidad de fuerza necesaria para permanecer en el aire. Esta fuerza se conoce como sustentación y actúa perpendicularmente a la dirección del flujo de la corriente libre y al arrastre. Estos vórtices se conocen como vórtices de punta de ala y están formados por el fluido que fluye alrededor de las puntas de las alas desde la región de alta presión que es la parte inferior del ala hasta la región de baja presión que es la parte superior del ala. El flujo se separa del perfil aerodinámico y gira alrededor de una estela de baja presión que forma el núcleo del vórtice. Este vórtice actúa para cambiar la dirección del flujo de la aeronave que se arrastra, aumentando la sustentación sobre un segmento del ala y permitiendo una reducción de la resistencia inducida al disminuir su ángulo de ataque. [5]
Esto también se puede mostrar mediante la ecuación de arrastre y sustentación análoga, . La diferencia ahora es que y varían linealmente con el ángulo de ataque , que es el ángulo formado por el eje neutro de la aeronave y el flujo de corriente libre. Dado que el flujo local entra en un ángulo de ataque más alto debido al vórtice, tanto las fuerzas de elevación como las de arrastre se rotan de manera que el vector de fuerza de elevación genera un empuje hacia adelante y el vector de fuerza de arrastre genera un aumento en la elevación. Con este aumento en la fuerza de sustentación, el ángulo de ataque puede reducirse para mantener la sustentación objetivo necesaria para mantener una altitud mientras se navega, lo que provoca una reducción en la resistencia inducida ya que la resistencia y la sustentación son una función de a través de los coeficientes y . [ cita requerida ]
Aves migratorias
Por lo general, se observa que las aves vuelan en formaciones en forma de V o formaciones en forma de J, donde las formaciones en forma de J se conocen comúnmente como escalón. El primer estudio que intentó cuantificar el ahorro de energía de una gran bandada de aves fue Lissaman & Schollenberger [6], quienes proporcionaron la primera estimación , aunque notablemente defectuosa, [2] para una bandada de aves de 25 miembros. Se informó una extensión de rango más impresionante del 71% en relación con el vuelo de un solo pájaro. Estas extensiones informadas se deben típicamente al uso de una aproximación de ala fija. Haffner (1977) experimentó con aves volando en túneles de viento y calculó una extensión de rango de un valor más conservador del 22%. [7] [2]
Se han realizado estudios sobre la fase de aleteo y se encontró que las aves que vuelan en formaciones en forma de V coordinan su aleteo, mientras que las de escalón no lo hacen. Willis et al (2007) encontraron que la fase óptima de los flaps representa el 20% del ahorro de energía, lo que sugiere que el posicionamiento es más importante que almacenar perfectamente en caché el vórtice que se aproxima. [8] [2]
Los estudios de aves han demostrado que la formación de V puede mejorar en gran medida la eficiencia aerodinámica general al reducir la resistencia y, por lo tanto, aumentar el rango de vuelo. [9]
Insectos
Los enjambres de insectos son un comportamiento animal colectivo que es un área de investigación activa para la aplicación de drones. La característica única de los enjambres de insectos es su vuelo organizado y sin líder. En un estudio de PIV de 10 mosquitos realizado por Kelley y Ouellette (2013), los límites del enjambre son estadísticamente consistentes a pesar de que el vuelo de los insectos dentro del enjambre es prácticamente asincrónico. También hay alguna sugerencia de agrupamiento, lo que implica que puede haber algún comportamiento autoorganizado. [10]
Aviación militar
En la aviación militar, el vuelo en formación es el vuelo disciplinado de dos o más aviones bajo el mando de un líder de vuelo. [11] Los pilotos militares utilizan formaciones para la defensa mutua y la concentración de la potencia de fuego. [12]
Vuelo en formación de vehículos aéreos no tripulados
El desafío de lograr un vuelo en formación seguro mediante vehículos aéreos no tripulados se ha investigado ampliamente en el siglo XXI con sistemas de aeronaves y naves espaciales. Para los vehículos aéreos, las ventajas de realizar vuelos en formación incluyen el ahorro de combustible, [13] una mayor eficiencia en el control del tráfico aéreo y la asignación de tareas cooperativas. Para los vehículos espaciales, el control preciso del vuelo en formación puede permitir futuros telescopios espaciales de gran apertura, interferómetros espaciales de referencia variable , encuentro y acoplamiento autónomos y ensamblaje robótico de estructuras espaciales. [14] Una de las formaciones más simples utilizadas es donde los aviones autónomos mantienen la formación con un avión líder que puede ser autónomo. [15]
Aviación Civil
En la aviación civil , se propone el vuelo en formación para reducir el uso de combustible minimizando la resistencia. [16] El vuelo en formación se realiza en espectáculos aéreos o con fines recreativos .
A principios de la década de 2000, el programa de Vuelo de Formación Autónoma de la NASA utilizó un par de F / A-18 . En 2013, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea ‘s Surf aeronaves vórtices para proyecto de energía mostraron un 10-15% en el ahorro de combustible, instalado en dos Boeing C-17 Globemaster IIIs . En 2017, la NASA midió entre un 8% y un 10% menos de flujo de combustible con dos aviones Gulfstream III en vuelos de prueba de wake surf. En 2018, el ecoDemonstrator , un carguero Boeing 777F de FedEx Express , redujo su consumo de combustible en un 5-10% con el piloto automático manteniendo la separación de 4,000 pies (1,2 km) según la información ADS-B y TCAS . [17]
Al tomar ventaja de estela corriente ascendente como la migración de las aves ( biomimetismo ), Airbus cree que un avión puede ahorrar un 5-10% de combustible en vuelo 1,5-2 millas náuticas (2.8 a 3.7 km) detrás de la anterior. Después de las pruebas del A380 que mostraron un ahorro del 12%, lanzó su proyecto 'fello'fly' en noviembre de 2019 para vuelos de prueba en 2020 con dos A350 , antes de las pruebas de vuelo transatlántico con aerolíneas en 2021. La certificación para una separación más corta está habilitada por ADS-B en océano espacio aéreo, y la única modificación requerida sería el software de los sistemas de control de vuelo . La comodidad no se vería afectada y las pruebas se limitan a dos aviones para reducir la complejidad, pero el concepto podría ampliarse para incluir más. Las operaciones comerciales podrían comenzar en 2025 con ajustes en los horarios de las aerolíneas , y podrían incluirse aviones de otros fabricantes. [18]
Ver también
- Acrobacia aérea
- Dedo cuatro
- Desfile aéreo
- Formación de satélites volando
- Formación Vic
- Luz de formación
Referencias
- ^ a b "Enciclopedia" . JAMA . 279 (17): 1409. 6 de mayo de 1998. doi : 10.1001 / jama.279.17.1409-jbk0506-6-1 . ISSN 0098-7484 .
- ^ a b c d e f Bajec, Iztok Lebar; Heppner, Frank H. (octubre de 2009). "Vuelo organizado en aves" . Comportamiento animal . 78 (4): 777–789. doi : 10.1016 / j.anbehav.2009.07.007 . ISSN 0003-3472 . S2CID 53180059 .
- ^ Béjeuhr (1914), "Bericht des Prüfungsausschusses zur Beurteilung von Erfindungen" , Jahrbuch der Científico Gesellschaft für Flugtechnik , Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp 190-192,. Doi : 10.1007 / 978-3-642-52151-5_17 , ISBN 978-3-642-52141-6, consultado el 16 de marzo de 2021
- ^ Flanzer, Tristan C .; Bieniawski, Stefan R. (10 de enero de 2014). "Análisis operacional del vuelo de formación para el programa de beneficio aerodinámico" . 52º Encuentro de Ciencias Aeroespaciales . Reston, Virginia: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi : 10.2514 / 6.2014-1460 . ISBN 978-1-62410-256-1.
- ^ Ray, Ronald; Cobleigh, Brent; Vachon, M .; St. John, Clinton (25 de junio de 2002). "Técnicas de prueba de vuelo utilizadas para evaluar los beneficios de rendimiento durante el vuelo de formación" . Conferencia y exhibición de AIAA Atmospheric Flight Mechanics . Reston, Virigina: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi : 10.2514 / 6.2002-4492 . ISBN 978-1-62410-107-6.
- ^ Lissaman, PBS; Shollenberger, CA (22 de mayo de 1970). "Vuelo de formación de las aves" . Ciencia . 168 (3934): 1003–1005. Código Bibliográfico : 1970Sci ... 168.1003L . doi : 10.1126 / science.168.3934.1003 . ISSN 0036-8075 . PMID 5441020 . S2CID 21251564 .
- ^ Haffner, John. Un modelo de ala batiente para el vuelo de formación aviar (Tesis). Universidad de Rhode Island. doi : 10.23860 / thesis-haffner-john-1977 .
- ^ Willis, David; Peraire, Jaime; Breuer, Kenneth (15 de junio de 2007). "Una investigación computacional de vuelo de formación bioinspirada y efecto suelo" . 25ª Conferencia de Aerodinámica Aplicada de la AIAA . Reston, Virigina: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi : 10.2514 / 6.2007-4182 . ISBN 978-1-62410-006-2.
- ^ "Efectos de la posición y la forma del líder en las actuaciones aerodinámicas de la formación de vuelo en V"
- ^ Kelley, Douglas H .; Ouellette, Nicholas T. (15 de enero de 2013). "Dinámica emergente de enjambres de insectos de laboratorio" . Informes científicos . 3 (1): 1073. Código Bibliográfico : 2013NatSR ... 3E1073K . doi : 10.1038 / srep01073 . ISSN 2045-2322 . PMC 3545223 . PMID 23323215 .
- ^ Manual de vuelo de formación de la Asociación T-34
- ^ Manual del piloto para entrenamiento básico de vuelo, Real Fuerza Aérea Canadiense TC-44, 1962
- ^ Alkouz, bálsamo; Bouguettaya, Athman (7 al 9 de diciembre de 2020). "Selección basada en la formación de servicios de enjambre de drones". 17ª Conferencia Internacional de EAI sobre sistemas móviles y ubicuos: informática, redes y servicios . arXiv : 2011.06766 .
- ^ Gu, Yu; et al. (2011). "Control de vuelo de formación" . Revista Internacional de Ingeniería Aeroespacial . 2011 : 1–2. doi : 10.1155 / 2011/798981 .
- ^ "Experimento de control de vuelo de formación UAV 3 YF-22" . 2004 .
- ^ Kroo, Ilan. "Futuro transporte aéreo y medio ambiente" . Seminario Woods Energy . Universidad de Stanford . Consultado el 13 de marzo de 2011 .
- ^ Guy Norris (10 de diciembre de 2019). "Boeing, las pruebas de FedEx 777F confirman el beneficio de quema de combustible de Wake" . Red Semana de la Aviación .
- ^ Jens Flottau (18 de noviembre de 2019). "Airbus busca hasta un 10% de ahorro en el consumo de combustible mediante aviones que vuelan juntos" . Red Semana de la Aviación .