La supermanerabilidad es la capacidad de los aviones de combate para ejecutar maniobras tácticas que no son posibles con mecanismos puramente aerodinámicos . Tales maniobras pueden usar deslizamientos laterales controlados y ángulos de ataque más allá de la sustentación máxima. [1]
Esta capacidad se investigó a partir de 1975 en el Centro de Investigación Langley en los Estados Unidos, y finalmente resultó en el desarrollo del McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD como una prueba de concepto de aeronave. Consulte también el Saab 35 Draken para los primeros aviones con capacidades supermanejables limitadas.
La USAF abandonó el concepto por ser contraproducente para los compromisos de BVR ya que la maniobra Cobra deja a la aeronave en un estado de energía casi nula, habiendo perdido casi toda su velocidad al ejecutarla sin ganar ninguna altitud de compensación en el proceso. A excepción de los enfrentamientos uno a uno, esto deja a la aeronave muy vulnerable tanto al ataque con misiles como con armas de fuego por parte de un wingman u otro hostil, incluso si la amenaza inicial sobrepasa a la aeronave sobremanera.
En 1983, el MiG-29 y en 1996, el Sukhoi Su-27 se desplegaron con esta capacidad, que desde entonces se ha convertido en estándar en todos los aviones de cuarta y quinta generación de Rusia. Ha habido algunas especulaciones, pero el mecanismo detrás de la supermanejabilidad del avión de fabricación rusa no ha sido revelado al público. Sin embargo, los análisis posteriores al bloqueo se utilizan cada vez más en los últimos años para mejorar la maniobrabilidad mediante el uso de boquillas de motor de vectorización de empuje . [2]
El énfasis ruso en la supermaniobrabilidad a baja velocidad de corto alcance va en contra de la teoría occidental de la energía-maniobrabilidad , que favorece la retención de la energía cinética para obtener una gama cada vez mejor de opciones de maniobra cuanto más dura un enfrentamiento. [3]
Maniobrabilidad aerodinámica frente a supermaniobrabilidad
Las maniobras tradicionales de las aeronaves se logran alterando el flujo de aire que pasa sobre las superficies de control de la aeronave: los alerones , los elevadores , los flaps , los frenos de aire y el timón . Algunas de estas superficies de control se pueden combinar, como en los "timones" de una configuración de cola en V , pero las propiedades básicas no se ven afectadas. Cuando una superficie de control se mueve para presentar un ángulo con el flujo de aire que se aproxima, altera el flujo de aire alrededor de la superficie, cambiando su distribución de presión y, por lo tanto, aplicando un momento de cabeceo, balanceo o guiñada a la aeronave.
El ángulo de deflexión de la superficie de control y la fuerza direccional resultante en la aeronave son controlados tanto por el piloto como por los sistemas de control incorporados de la aeronave para mantener la actitud deseada , como cabeceo, balanceo y rumbo, y también para realizar maniobras acrobáticas que cambian rápidamente la posición de la aeronave. actitud. Para que se mantenga el control de maniobras tradicional, la aeronave debe mantener una velocidad de avance suficiente y un ángulo de ataque suficientemente bajo para proporcionar flujo de aire sobre las alas (manteniendo la sustentación) y también sobre sus superficies de control.
A medida que disminuye el flujo de aire, también disminuye la eficacia de las superficies de control y, por tanto, la maniobrabilidad. Si el ángulo de ataque es superior a su valor crítico, el avión estancar . Los pilotos están entrenados para evitar paradas durante las maniobras acrobáticas y especialmente en combate, ya que una pérdida puede permitir que un oponente obtenga una posición ventajosa mientras el piloto de la aeronave detenida intenta recuperarse.
La velocidad a la que una aeronave es capaz de su máxima maniobrabilidad aerodinámica se conoce como velocidad aerodinámica de esquina ; a una velocidad mayor, las superficies de control no pueden operar con el máximo efecto debido a las tensiones de la estructura del avión o la inestabilidad inducida por el flujo de aire turbulento sobre la superficie de control. A velocidades más bajas, la redirección del aire sobre las superficies de control y, por lo tanto, la fuerza aplicada para maniobrar la aeronave, se reduce por debajo de la capacidad máxima del fuselaje y, por lo tanto, la aeronave no girará a su velocidad máxima. Por tanto, en las maniobras acrobáticas es deseable mantener la velocidad en las curvas.
En una aeronave supermanejable, el piloto puede mantener un alto grado de maniobrabilidad por debajo de la velocidad de la esquina, y al menos un control de altitud limitado sin pérdida de altitud por debajo de la velocidad de pérdida. Tal avión es capaz de maniobras que son imposibles con un diseño puramente aerodinámico. Más recientemente, el mayor uso de vehículos no tripulados instrumentados con propulsión a reacción ("drones de investigación") ha aumentado el ángulo de ataque potencial de vuelo más allá de los 90 grados y ha entrado en los dominios de vuelo seguro después de la pérdida, y también ha reemplazado algunos de los usos tradicionales. de túneles de viento. [2]
Evidencia
No hay un conjunto estricto de pautas que una aeronave deba cumplir o características que deba tener para ser clasificada como supermanejable. Sin embargo, como se define la supermaniobrabilidad en sí, la capacidad de una aeronave para realizar maniobras de alto alfa que son imposibles para la mayoría de las aeronaves es evidencia de la supermanejabilidad de la aeronave. Tales maniobras incluyen la Cobra de Pugachev y la maniobra de Herbst (también conocida como "giro en J").
Algunas aeronaves son capaces de realizar la Cobra de Pugachev sin la ayuda de características que normalmente proporcionan maniobras posteriores a la pérdida, como la vectorización de empuje . Se ha documentado que los cazas avanzados de cuarta generación como el Su-27 , MiG-29 junto con sus variantes son capaces de realizar esta maniobra utilizando motores de vectorización normales sin empuje. La capacidad de estos aviones para realizar esta maniobra se basa en una inestabilidad inherente como la del F-16 ; las familias de jets MiG-29 y Su-27 están diseñadas para un comportamiento deseable después de la pérdida . Por lo tanto, al realizar una maniobra como la Cobra de Pugachev, la aeronave se detendrá cuando el morro se incline hacia arriba y el flujo de aire sobre el ala se separe, pero naturalmente el morro hacia abajo incluso desde una posición parcialmente invertida, lo que permitirá al piloto recuperar el control completo.
El Cobra, como lo realiza un avión de vectorización sin empuje, todavía depende del avión que se mueve por el aire; sin embargo, no involucra las superficies aerodinámicas de la aeronave y el flujo de aire laminar normal, sino más bien todo el fuselaje como una forma sólida que viaja a través del aire, y su centro de gravedad en relación con el vector de empuje. Al realizarse en condiciones que van mucho más allá del control aerodinámico normal y bien en una pérdida sin vectorización de empuje, esta es una forma de supermanejabilidad pasiva, posible debido al diseño de la aeronave en lugar de la vectorización de empuje, que proporciona una forma de controlar activamente la aeronave mucho más allá de lo normal. sobre de vuelo.
La maniobra de Herbst , sin embargo, se cree que es imposible sin la vectorización de empuje como la "J-turno" requiere un medio-roll, además de cabeceo mientras la aeronave está estancado, lo cual es imposible el uso de superficies de control convencionales. El Cobra de Pugachev se puede realizar con menos cambio de altitud si se utiliza un empuje vectorial, ya que se puede hacer que la aeronave se incline mucho más rápidamente, tanto induciendo la pérdida antes de que la aeronave gane altitud significativamente como recuperando la actitud nivelada antes de que se pierda la altitud.
Caracteristicas
Aunque, como se mencionó anteriormente, ningún conjunto fijo de características define explícitamente una aeronave supermaneuverable, prácticamente todas las aeronaves consideradas supermaneuverables tienen una mayoría de características comunes que ayudan en la maniobrabilidad y el control de pérdida.
"El combate aéreo clásico comienza a alta velocidad, pero si fallas en el primer disparo, y la probabilidad está ahí porque hay maniobras para evitar los misiles, el combate será más prolongado. Después de maniobrar, el avión estará a menor velocidad , pero ambos aviones pueden estar en una posición en la que no pueden disparar. Pero la supermanejabilidad permite que un avión gire en tres segundos y realice otro disparo ". - Sergey Bogdan, piloto de pruebas jefe de Sukhoi. [4]
Características posteriores al puesto
La diferencia clave entre un luchador aerodinámico puro y uno supermanejable se encuentra generalmente en sus características posteriores a la pérdida . Una pérdida, como se mencionó anteriormente, ocurre cuando el flujo de aire sobre la parte superior del ala se separa debido a un alto ángulo de ataque (esto puede ser causado por baja velocidad, pero su causa directa se basa en la dirección del flujo de aire en contacto con el ala); el perfil aerodinámico pierde su principal fuente de sustentación y no apoyará a la aeronave hasta que se restablezca el flujo de aire normal sobre la parte superior del ala.
El comportamiento de la aeronave en pérdida es donde se puede observar la principal diferencia entre maniobrabilidad aerodinámica y supermanejabilidad. En una pérdida, las superficies de control tradicionales, especialmente los alerones, tienen poca o ninguna capacidad para cambiar la actitud de la aeronave. La mayoría de las aeronaves están diseñadas para ser estables y fácilmente recuperables en tal situación; la aeronave se inclinará hacia abajo para que el ángulo de ataque de las alas se reduzca para que coincida con la dirección actual de la aeronave (conocida técnicamente como vector de velocidad), restaurando el flujo de aire normal sobre las alas y las superficies de control y permitiendo un vuelo controlado. [5]
Sin embargo, algunos aviones entrarán en pérdida profunda . El diseño de la aeronave inhibirá o evitará una reducción en el ángulo de ataque para restaurar el flujo de aire. El F-16 tiene este defecto, debido en parte a sus controles fly-by-wire, que bajo ciertas circunstancias limitan la capacidad del piloto para apuntar el morro de la aeronave hacia abajo para reducir el ángulo de ataque y recuperarse. [6] No es deseable ni un descenso extremo ni una pérdida profunda en una aeronave con maniobra supermanejable.
Una aeronave supermaneuverable permite al piloto mantener al menos algo de control cuando la aeronave se detiene y recuperar el control total rápidamente. Esto se logra en gran medida mediante el diseño de una aeronave que sea altamente maniobrable, pero que no se detendrá en profundidad (lo que permitirá que el piloto se recupere rápidamente) y se recuperará de manera predecible y favorable (idealmente para un vuelo nivelado; de manera más realista, para una actitud de morro hacia abajo tan superficial como sea posible). posible). A ese diseño, se agregan características que permiten al piloto controlar activamente la aeronave mientras está en pérdida, y retener o recuperar el vuelo nivelado hacia adelante en una banda de altitud extremadamente baja que supera las capacidades de las maniobras aerodinámicas puras.
Relación empuje-peso
Una característica clave de los cazas supermanejosos es una alta relación empuje-peso; es decir, la comparación de la fuerza producida por los motores con el peso de la aeronave, que es la fuerza de gravedad sobre la aeronave. En general, es deseable en cualquier avión acrobático, ya que una relación de empuje / peso alta permite que el avión recupere la velocidad rápidamente después de una maniobra de G alta. En particular, una relación empuje / peso superior a 1: 1 es un umbral crítico, ya que permite que la aeronave mantenga e incluso gane velocidad en posición de morro hacia arriba; tal ascenso se basa en la potencia pura del motor, sin ningún sustento proporcionado por las alas para contrarrestar la gravedad, y se ha vuelto crucial para las maniobras acrobáticas en vertical (que a su vez son esenciales para el combate aéreo).
Un alto empuje-peso es esencial para supermanejar a los cazas porque no solo evita muchas situaciones en las que una aeronave puede entrar en pérdida (como durante las maniobras de ascenso vertical), sino que cuando la aeronave se detiene, la alta relación empuje-peso permite que el piloto para aumentar bruscamente la velocidad de avance incluso cuando la aeronave se inclina hacia abajo; esto reduce el ángulo que el morro debe inclinarse hacia abajo para cumplir con el vector de velocidad, y así recuperarse más rápidamente de la pérdida. Esto permite controlar los puestos; el piloto detendrá intencionalmente la aeronave con una maniobra difícil y luego se recuperará rápidamente con la alta potencia del motor.
A partir de finales de la cuarta generación y hasta la Generación 4.5 del desarrollo de aeronaves, los avances en la eficiencia y la potencia del motor permitieron a muchos cazas acercarse y superar las relaciones de empuje a peso de 1: 1. La mayoría de los cazas de quinta generación actuales y previstos superarán este umbral.
Gran maniobrabilidad aerodinámica.
A pesar de que la verdadera supermaniobrabilidad se encuentra fuera del ámbito de lo que es posible con el control aerodinámico puro, las tecnologías que empujan a los aviones a la capacidad de supermaniobrabilidad se basan en lo que de otro modo sería un diseño convencional controlado aerodinámicamente. Por lo tanto, un diseño que sea altamente maniobrable por la aerodinámica tradicional es una base necesaria para un luchador supermanejable.
Características tales como grandes superficies de control que proporcionan más fuerza con menos cambio angular desde neutral que minimiza la separación del flujo de aire, diseño del cuerpo de elevación que incluye el uso de tracas , que permiten que el fuselaje de la aeronave cree sustentación además de la de sus alas, y El diseño de baja resistencia, en particular la reducción de la resistencia en los bordes de ataque de la aeronave, como el cono de morro, las alas y los conductos de admisión del motor, son todos esenciales para crear una aeronave altamente maniobrable.
Algunos diseños, como el F-16 (que en la forma de producción actual se considera altamente maniobrable, pero solo el demostrador tecnológico F-16 VISTA se considera supermanejable) están diseñados para ser inherentemente inestables; es decir, la aeronave, si está completamente descontrolada, no tenderá a regresar a un vuelo estable y nivelado después de una perturbación, como lo hará un diseño inherentemente estable. Tales diseños requieren el uso de un sistema "fly-by-wire" donde una computadora corrige inestabilidades menores mientras también interpreta la entrada del piloto y manipula las superficies de control para producir el comportamiento deseado sin inducir una pérdida de control. Así corregido, la inestabilidad del diseño crea un avión que es altamente maniobrable; Libre de la resistencia autolimitante que proporciona un diseño estable a las maniobras deseadas, un diseño intencionalmente inestable es capaz de realizar giros mucho más altos de lo que sería posible de otro modo.
Controles Canard
Un canard es una superficie de control de ascensor colocada delante de las alas. A veces, como con el B-1B , simplemente se usan para estabilizar partes flexibles del fuselaje o proporcionar cambios de actitud muy pequeños, pero se usan a menudo como complemento o reemplazo completo de estabilizadores montados en la cola .
La teoría detrás de los canards como la única superficie del elevador es que ninguna configuración de elevador detrás de las alas es verdaderamente satisfactoria para propósitos de maniobra; el flujo de aire sobre las alas crea turbulencias, por pequeñas que sean, y por lo tanto afecta a los ascensores colocados directamente detrás de las alas. La colocación debajo de las alas (común en muchos aviones de combate) expone los ascensores a una turbulencia aún mayor de los artefactos debajo de las alas.
La solución original a tales problemas, la cola en T , ha sido ampliamente desacreditada por ser propensa a peligrosos "puestos profundos". Otras soluciones, como la cola en V, colocan las superficies combinadas timón-elevador fuera del flujo de aire de las alas, pero reducen la efectividad de la superficie de control en los ejes puros de cabeceo y guiñada.
Como complemento de los ascensores tradicionales, los canard aumentan enormemente el área de la superficie de control y, a menudo, aumentan el ángulo crítico de ataque de las alas, ya que el canard dirige el aire más directamente hacia el borde de ataque del ala. También pueden diseñarse para funcionar de forma independiente (es decir, contrarrotación), por lo que también actúan como alerones .
Los canard no son un requisito y pueden tener desventajas, incluida la visibilidad reducida del piloto, una mayor complejidad y fragilidad mecánica y una mayor firma del radar, aunque la sección transversal del radar se puede reducir controlando la deflexión del canard a través del software de control de vuelo, como se hace en el Eurofighter. [7] [8] El F-22, por ejemplo, no incorpora engaños, principalmente por razones de sigilo. La producción Su-35 también omite bulos. Muchos demostradores de tecnología y bancos de pruebas de maniobrabilidad, como el F-15 S / MTD, incorporaron canards, incluso cuando el avión de producción en el que se basaron no lo hizo. Los cazas de producción como el Eurofighter Typhoon , Dassault Rafale y Saab Gripen usan una configuración de ala delta con superficies de canard, mientras que algunas variantes del Su-27, incluidos el Su-30, Su-30MKI, Su-33 y Su-37 usan canards para complementar los elevadores tradicionales montados en la cola.
Vectorización de empuje
Aunque una alta relación empuje-peso y una alta maniobrabilidad aerodinámica se encuentran tanto en aeronaves aerodinámicas como en supermanejo, la tecnología más directamente relacionada con la supermaniobrabilidad es la vectorización de empuje , en la que la geometría de la boquilla de escape de un motor a reacción tradicional se puede modificar para Incline el empuje del motor en una dirección que no sea directamente hacia atrás (es decir, hacia arriba o hacia abajo).
Esto aplica fuerza a la parte trasera de la aeronave en la dirección opuesta similar a una superficie de control convencional, pero a diferencia de una superficie de control, la fuerza del empuje vectorial depende del empuje actual del motor, no de la velocidad del aire. Por lo tanto, la vectorización de empuje no solo aumenta las superficies de control (generalmente la de los ascensores) a velocidad, sino que permite que la aeronave retenga la máxima maniobrabilidad por debajo de la velocidad de esquina y cierto control de actitud por debajo de la velocidad de pérdida durante las maniobras.
Los demostradores de tecnología como el X-31 , F-16 VISTA y F-15 S / MTD fueron construidos para mostrar las capacidades de una aeronave que usa esta tecnología; desde entonces se ha incorporado a los cazas de preproducción y producción como el F-22 Raptor . Las empresas de diseño del Bloque del Este también han introducido esta tecnología en variantes de aviones de cuarta generación como el MiG-29 y el Su-27 para producir el demostrador tecnológico MiG-29OVT y el caza de superioridad aérea Su-30MKI respectivamente, y planearon la quinta generación rusa- Los aviones diseñados como el Sukhoi Su-57 también utilizarán la tecnología. Además, los cazas nacionales rusos Su-30 se actualizarán con motores de vectorización de empuje. [9]
La vectorización de empuje es más útil al realizar maniobras como el giro en J aéreo , donde el morro de la aeronave apunta hacia arriba (y por lo tanto el empuje del motor contrarresta la gravedad y proporciona control de actitud). En general, se considera imposible, de hecho, realizar una verdadera maniobra de giro en J sin un empuje vectorial. Otras maniobras que se consideran imposibles de realizar bajo control utilizando solo maniobras aerodinámicas incluyen la campana (un bucle de 360 ° con un cambio de altitud insignificante) y el giro plano controlado (360 ° de guiñada alrededor de un punto de rotación que se encuentra dentro de la aeronave). [ cita requerida ]
Evaluación
Los pilotos pueden inclinar el morro de las aeronaves supermaneuverables hasta ángulos de inclinación extremos (hasta 70 grados), lo que les permite obtener una ventaja potencial, al poder fijar un objetivo y disparar, pero a expensas de la altitud y / o velocidad de la aeronave. La cuantificación de tal ventaja potencial utilizando métricas no era realmente posible a principios de la década de 1990; las métricas tradicionales, como los gráficos de velocidad de viraje instantáneos o sostenidos, no resaltaban las diferencias que los pilotos describían cuando volaban tales aeronaves.
Se llevaron a cabo varios proyectos de investigación durante la década de 1990 y uno en particular, titulado "Evaluación de desempeño de aviones de combate que incorporan tecnologías avanzadas" por Antony Kutschera, [10] no solo revisó la idoneidad de las métricas existentes para medir los efectos de la supermanejabilidad, sino que pasó a Desarrollar una nueva métrica para cuantificar ventajas y desventajas durante el vuelo. La nueva métrica permite realizar una evaluación cuantitativa de la aeronave, en términos que los diseñadores, pilotos y tácticos pueden comprender fácilmente, a diferencia de muchas métricas más nuevas que combinaban las métricas existentes para desarrollar números "mágicos" que tienen poco significado.
Referencias
- ^ Gal-Or, Benjamin (2013). Propulsión vectorial, supermaniobrabilidad y aeronaves robot . Springer Science + Business Media . pag. 92 . Consultado el 21 de febrero de 2019 .
- ^ a b Gal-Or, Benjamin (2001) [1990], Propulsión vectorizada, supermanerabilidad y aeronaves robot , Springer, ISBN 0-387-97161-0, Informe de la USAF y la OTAN RTO-TR-015 AC / 323 / (HFM-015) / TP-1,
alternativo ISBN 3-540-97161-0
. - ^ Sweetman, Bill (24 de junio de 2013). "El piloto de prueba de Sukhoi explica la 'supermanejabilidad ' " . Semana de la aviación . Penton . Consultado el 23 de febrero de 2014 .
- ^ ——— (24 de junio de 2013). "Esquinas estrechas" . Semana de la aviación y tecnología espacial . Nueva York: Penton Media. 175 (21): 33. ISSN 0005-2175 . Consultado el 4 de agosto de 2017 .
- ^ Chambers, Joseph R. "Lockheed Martin F-16 Fighting Falcon: Curing Deep Stall", Partners in Freedom: Contribuciones del Langley Research Center a los aviones militares estadounidenses de la década de 1990 "; Monografías en la historia aeroespacial número 19, la historia de la NASA Serie (NASA SP-2000-4519). Archivado 2008-08-20 en la Wayback Machine National Aeronautics and Space Administration , Washington, DC, 2000. Consultado el 22 de junio de 2008.
- ^ Chambers, Joseph R. "Lockheed Martin F-16 Fighting Falcon: Curing Deep Stall", Partners in Freedom: Contribuciones del Langley Research Center a los aviones militares estadounidenses de la década de 1990 "; Monografías en la historia aeroespacial número 19, la historia de la NASA Serie (NASA SP-2000-4519). Archivado 2008-08-20 en la Wayback Machine National Aeronautics and Space Administration , Washington, DC, 2000. Consultado el 22 de junio de 2008.
- ^ https://translate.google.com/translate?u=http%3A%2F%2Fwww.airpower.at%2Fforum%2Fviewtopic.php%3Ft%3D2629&langpair=de%7Cen&hl=en&ie=UTF-8
- ^ https://translate.google.com/translate?u=http%3A%2F%2Feurofighter.airpower.at%2Ffaq.htm&langpair=de%7Cen&hl=en&ie=UTF-8
- ^ "Fuerza aérea rusa para conseguir aviones supermaneuverables". Rusia más allá de los titulares . 13 de abril de 2012.
- ^ Kutschera, Ant (2001). Evaluación del desempeño de aviones de combate que incorporan tecnologías avanzadas (PDF) . Biblioteca Británica.