La vectorización de empuje , también conocida como control de vector de empuje ( TVC ), es la capacidad de una aeronave , cohete u otro vehículo para manipular la dirección del empuje de su (s) motor (es) o motor (es) para controlar la actitud o la velocidad angular. del vehículo.
En cohetes y misiles balísticos que vuelan fuera de la atmósfera, las superficies de control aerodinámico son ineficaces, por lo que el vector de empuje es el medio principal de control de actitud . En la década de 1930, Robert Goddard utilizó álabes de escape y motores reforzados.
Para las aeronaves, el método se concibió originalmente para proporcionar un empuje vertical hacia arriba como un medio para dar a la aeronave capacidad de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ) o corto ( STOL ). Posteriormente, se descubrió que el uso de propulsión vectorial en situaciones de combate permitía a los aviones realizar varias maniobras que no estaban disponibles para los aviones con motor convencional. Para realizar giros, las aeronaves que no utilizan vectorización de empuje deben depender únicamente de superficies de control aerodinámico, como alerones o elevadores ; las aeronaves con vectorización deben seguir utilizando superficies de control, pero en menor medida.
En la literatura sobre misiles que se origina en fuentes rusas, [1] la vectorización de empuje se denomina a menudo dirección dinámica de gas o control dinámico de gas .
Métodos de vectorización de empuje
Cohetes y misiles balísticos
Nominalmente, la línea de acción del vector de empuje de la boquilla de un cohete pasa a través del centro de masa del vehículo , generando un momento neto cero alrededor del centro de masa. Es posible generar momentos de cabeceo y guiñada desviando el vector de empuje principal del cohete para que no pase a través del centro de masa. Debido a que la línea de acción generalmente está orientada casi paralela al eje de balanceo , el control de balanceo generalmente requiere el uso de dos o más boquillas con bisagras por separado o un sistema completamente separado, como aletas o paletas en la columna de escape del motor cohete, el impulso principal. El control del vector de empuje (TVC) solo es posible cuando el sistema de propulsión genera empuje; Se requieren mecanismos separados para el control de actitud y trayectoria de vuelo durante otras etapas del vuelo.
La vectorización del empuje se puede lograr por cuatro medios básicos: [2] [3]
- Motor (s) o boquilla (s) con cardán
- Inyección de líquido reactivo
- Propulsores auxiliares "Vernier"
- Paletas de escape, también conocidas como paletas de chorro
Estocada con gimbaled
La vectorización de empuje para muchos cohetes líquidos se logra mediante el cardán de todo el motor . Esto implica mover toda la cámara de combustión y la campana exterior del motor como en los motores gemelos de primera etapa de la Titan II , o incluso todo el conjunto del motor, incluidas las bombas de combustible y oxidante relacionadas . El Saturno V y el Transbordador Espacial usaban motores con cardán. [2]
Un método posterior desarrollado para misiles balísticos de propulsante sólido logra la vectorización de empuje desviando solo la boquilla del cohete utilizando actuadores eléctricos o cilindros hidráulicos . La boquilla está unida al misil a través de una rótula con un orificio en el centro, o un sello flexible hecho de un material térmicamente resistente, este último generalmente requiere más torque y un sistema de actuación de mayor potencia. Los sistemas Trident C4 y D5 se controlan mediante una boquilla accionada hidráulicamente. Los STS SRB utilizaron boquillas con carraca. [4]
Inyección de propulsor
Otro método de vectorización de empuje utilizado en misiles balísticos de propulsor sólido es la inyección de líquido, en el que la boquilla del cohete está fija, pero se introduce un fluido en el flujo de escape desde los inyectores montados alrededor del extremo de popa del misil. Si el líquido se inyecta en un solo lado del misil, modifica ese lado de la columna de escape, lo que resulta en un empuje diferente en ese lado y una fuerza neta asimétrica sobre el misil. Este fue el sistema de control utilizado en el Minuteman II y los primeros SLBM de la Marina de los Estados Unidos .
Propulsores Vernier
Se puede producir un efecto similar a la vectorización de empuje con múltiples propulsores a vernier , pequeñas cámaras de combustión auxiliares que carecen de sus propias turbobombas y pueden estabilizarse en un eje. Estos se usaron en los misiles Atlas y R-7 y todavía se usan en el cohete Soyuz , que desciende del R-7, pero rara vez se usan en nuevos diseños debido a su complejidad y peso. Estos son distintos de los propulsores del sistema de control de reacción , que son motores de cohetes fijos e independientes que se utilizan para maniobrar en el espacio.
Paletas de escape
Uno de los primeros métodos de vectorización de empuje en motores de cohetes fue colocar paletas en el flujo de escape del motor. Estas paletas de escape o paletas de chorro permiten desviar el empuje sin mover ninguna parte del motor, pero reducen la eficiencia del cohete. Tienen la ventaja de permitir el control de balanceo con un solo motor, lo que no permite el cardán de boquilla. El V-2 utilizó álabes de escape de grafito y álabes aerodinámicos, al igual que el Redstone , derivado del V-2. Los cohetes Sapphire y Nexo del grupo de aficionados Copenhagen Suborbitals proporcionan un ejemplo moderno de paletas de reacción. Las paletas de chorro deben estar hechas de un material refractario o enfriadas activamente para evitar que se derritan. Sapphire usó paletas de cobre sólido para la alta capacidad calorífica y conductividad térmica del cobre, y Nexo usó grafito por su alto punto de fusión, pero a menos que se enfríen activamente, las paletas de chorro sufrirán una erosión significativa. Esto, combinado con la ineficacia de las paletas de los reactores, impide en su mayoría su uso en nuevos cohetes.
Misiles tácticos y pequeños proyectiles.
Algunos misiles tácticos atmosféricos de menor tamaño , como el AIM-9X Sidewinder , evitan las superficies de control de vuelo y en su lugar usan paletas mecánicas para desviar el escape del motor hacia un lado.
La vectorización de empuje es una forma de reducir el alcance mínimo de un misil, antes del cual no puede alcanzar una velocidad lo suficientemente alta como para que sus pequeñas superficies aerodinámicas produzcan maniobras efectivas. Por ejemplo, los misiles antitanque como el Eryx y el PARS 3 LR usan vectorización de empuje por este motivo. [5]
Algunos otros proyectiles que usan vectorización de empuje:
- 9M330 [6]
- La ronda de mortero Strix utiliza doce cohetes propulsores laterales de sección media para proporcionar correcciones de rumbo terminal [5]
- AAD utiliza paletas de chorro
- Astra (misil) [7]
- Akash (misil) [8]
- BrahMos [9]
- QRSAM utiliza paletas de chorro
- MPATGM utiliza paletas de chorro
- Barak 8 usa paletas de chorro
- Python-5 [10]
- A-Darter utiliza paletas de chorro
- ASRAAM utiliza paletas de chorro
- R-73 (misil) utiliza paletas de chorro
- HQ-9 utiliza paletas de chorro
- PL-10 (ASR) utiliza paletas de chorro
- MICA (misil) utiliza paletas de chorro
- PARS 3 LR utiliza paletas de chorro
- La familia de misiles Aster combina el control aerodinámico y el control vectorial de empuje directo llamado "PIF-PAF"
- AIM-9X utiliza cuatro paletas de chorro dentro del escape, que se mueven a medida que se mueven las aletas.
- El 9M96E utiliza un sistema de control dinámico de gas que permite maniobrar en altitudes de hasta 35 km con fuerzas de más de 20 g , lo que permite la participación de misiles balísticos no estratégicos. [11]
- 9K720 Iskander se controla durante todo el vuelo con superficies de control aerodinámicas y dinámicas de gas.
Aeronave
La mayoría de las aeronaves de empuje vectorial actualmente operativas utilizan turboventiladores con toberas o álabes giratorios para desviar la corriente de escape. Este método puede desviar con éxito el empuje hasta 90 grados, en relación con la línea central de la aeronave. Sin embargo, el motor debe estar dimensionado para elevación vertical, en lugar de vuelo normal, lo que resulta en una penalización de peso. La postcombustión (o combustión en cámara plenaria, PCB, en la corriente de derivación) es difícil de incorporar y no es práctica para la vectorización de empuje de despegue y aterrizaje, porque los gases de escape muy calientes pueden dañar las superficies de la pista. Sin postcombustión es difícil alcanzar velocidades de vuelo supersónicas. Un motor de PCB, el Bristol Siddeley BS100 , fue cancelado en 1965.
Impulso vectorial de aviones Tiltrotor a través de góndolas de motores turbohélice giratorios . Las complejidades mecánicas de este diseño son bastante problemáticas, incluida la torsión de componentes internos flexibles y la transferencia de potencia del eje de transmisión entre motores. La mayoría de los diseños de rotor basculante actuales cuentan con dos rotores en una configuración de lado a lado. Si una nave de este tipo se vuela de una manera en la que entra en un estado de anillo de vórtice , uno de los rotores siempre entrará un poco antes que el otro, lo que hará que la aeronave realice un giro drástico y no planificado.
La vectorización de empuje también se utiliza como mecanismo de control para dirigibles . Una de las primeras aplicaciones fue el dirigible del ejército británico Delta , que voló por primera vez en 1912. [12] Más tarde se utilizó en el HMA (Dirigible de Su Majestad) No. 9r , un dirigible rígido británico que voló por primera vez en 1916 [13] y el gemelo de la década de 1930 -era, los dirigibles rígidos USS Akron y USS Macon de la Armada de los EE. UU. que se utilizaron como portaaviones aerotransportados , y una forma similar de vectorización de empuje también es particularmente valiosa hoy en día para el control de dirigibles modernos no rígidos . En este uso, la mayor parte de la carga suele estar soportada por flotabilidad y el empuje vectorial se utiliza para controlar el movimiento de la aeronave. El primer dirigible que utilizó un sistema de control basado en aire presurizado fue el Omnia Dir de Enrico Forlanini en la década de 1930.
En 1949, Percy Walwyn presentó al Ministerio del Aire Británico un diseño para un jet que incorporaba vectorización de empuje; Los dibujos de Walwyn se conservan en la Biblioteca Aeroespacial Nacional de Farnborough. [14] El interés oficial se redujo cuando se supo que el diseñador era un paciente en un hospital psiquiátrico. [ cita requerida ]
Ahora en investigación, Fluidic Thrust Vectoring (FTV) desvía el empuje a través de inyecciones fluídicas secundarias . [15] Las pruebas muestran que el aire forzado a la corriente de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados. Tales boquillas son deseables por su menor masa y costo (hasta un 50% menos), inercia (para una respuesta de control más rápida y fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos o sin partes o superficies móviles, menos mantenimiento) y sección transversal del radar para sigilo . Esto probablemente se utilizará en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de combate de sexta generación .
Boquillas de vectorización
El control de vuelo de vectorización de empuje (TVFC) se obtiene mediante la desviación de los chorros de la aeronave en algunas o todas las direcciones de cabeceo, guiñada y alabeo. En el extremo, la desviación de los chorros en guiñada, cabeceo y balanceo crea las fuerzas y momentos deseados que permiten un control direccional completo de la trayectoria de vuelo de la aeronave sin la implementación de los controles de vuelo aerodinámicos convencionales (CAFC). TVFC también se puede utilizar para mantener un vuelo estacionario en áreas de la envolvente de vuelo donde las principales superficies aerodinámicas están estancadas. [16] TVFC incluye el control de la aeronave STOVL durante el vuelo estacionario y durante la transición entre las velocidades de vuelo estacionario y de avance por debajo de 50 nudos donde las superficies aerodinámicas son ineficaces. [17]
Cuando el control de empuje vectorial utiliza un solo jet propulsor, como con un avión de un solo motor, la capacidad de producir momentos de balanceo puede no ser posible. Un ejemplo es una boquilla supersónica de postcombustión donde las funciones de la boquilla son el área de la garganta, el área de salida, la vectorización del paso y la vectorización de la orientación. Estas funciones están controladas por cuatro actuadores separados. [16] Una variante más simple que usa solo tres actuadores no tendría un control de área de salida independiente. [dieciséis]
Cuando se implementa TVFC para complementar CAFC, se maximizan la agilidad y la seguridad de la aeronave. Puede producirse una mayor seguridad en caso de que el CAFC funcione incorrectamente como resultado de daños en la batalla. [dieciséis]
Para implementar TVFC se pueden aplicar una variedad de boquillas tanto mecánicas como fluídicas. Esto incluye toberas convergentes y convergentes-divergentes que pueden ser fijas o geométricamente variables. También incluye mecanismos variables dentro de una boquilla fija, como cascadas giratorias [18] y paletas de salida giratorias. [19] Dentro de estas toberas de aviones, la geometría en sí puede variar de bidimensional (2-D) a axisimétrica o elíptica. El número de boquillas en un avión determinado para lograr TVFC puede variar desde uno en un avión CTOL hasta un mínimo de cuatro en el caso de un avión STOVL. [17]
Definiciones de boquillas de vectorización de empuje
Es necesario aclarar algunas definiciones utilizadas en el diseño de boquillas de vectorización de empuje.
- Axisimétrico
- Boquillas con salidas circulares.
- Control de vuelo aerodinámico convencional (CAFC)
- Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll o cualquier otra combinación de control de la aeronave mediante deflexión aerodinámica mediante timones, flaps, elevadores y / o alerones.
- Boquilla convergente-divergente (CD)
- Generalmente se usa en aviones a reacción supersónicos donde la relación de presión de la boquilla (npr)> 3. El escape del motor se expande a través de una sección convergente para lograr Mach 1 y luego se expande a través de una sección divergente para lograr una velocidad supersónica en el plano de salida, o menos en un npr bajo. . [20]
- Boquilla convergente
- Generalmente se utiliza en aviones a reacción subsónicos y transónicos donde npr <3. El escape del motor se expande a través de una sección convergente para lograr Mach 1 en el plano de salida, o menos en npr bajo. [20]
- Ángulo de vectorización efectivo
- El ángulo de deflexión promedio de la línea central de la corriente en chorro en cualquier momento dado.
- Boquilla fija
- Una boquilla de vectorización de empuje de geometría invariante o una de geometría variante que mantiene una relación de área geométrica constante durante la vectorización. Esto también se denominará tobera de aeronave civil y representa el control de vectorización de empuje de tobera aplicable a aeronaves de pasajeros, transporte, carga y otras aeronaves subsónicas.
- Vectorización de empuje fluídico
- La manipulación o control del flujo de escape con el uso de una fuente de aire secundaria, típicamente purga aire del compresor o ventilador del motor. [21]
- Ángulo de vectorización geométrica
- Línea central geométrica de la boquilla durante la vectorización. Para aquellas boquillas con vectorización en la garganta geométrica y más allá, esto puede diferir considerablemente del ángulo de vectorización efectivo.
- Tobera de conducto giratorio de tres rodamientos (3BSD [17] )
- Tres segmentos en ángulo del conducto de escape del motor giran entre sí alrededor de la línea central del conducto para producir el cabeceo y la guiñada del eje de empuje de la boquilla. [22]
- Tridimensional (3-D)
- Boquillas con control multieje o de cabeceo y guiñada. [dieciséis]
- Vectorización de empuje (TV)
- La desviación del chorro fuera del eje del cuerpo mediante la implementación de una boquilla flexible, aletas, paletas, mecánica de fluidos auxiliares o métodos similares.
- Control de vuelo de vectorización de empuje (TVFC)
- Cabeceo, guiñada-cabeceo, guiñada-cabeceo-balanceo o cualquier otra combinación de control de la aeronave a través de la desviación del empuje que generalmente emite un motor turboventilador que respira aire.
- Bidimensional (2-D)
- Boquillas con salidas cuadradas o rectangulares. Además de la forma geométrica, 2-D también puede referirse al grado de libertad (DOF) controlado, que es de un solo eje o solo paso, en cuyo caso se incluyen boquillas redondas. [dieciséis]
- Convergente-divergente bidimensional (CD 2-D)
- Boquillas supersónicas cuadradas, rectangulares o redondas en aviones de combate con control de solo cabeceo.
- Boquilla variable
- Una boquilla de vectorización de empuje de geometría variable que mantiene una relación constante o que permite una relación de área de boquilla efectiva variable durante la vectorización. Esto también se denominará boquilla de avión militar, ya que representa el control de vectorización de empuje de la boquilla aplicable a aviones de combate y otros aviones supersónicos con postcombustión. La sección convergente puede controlarse completamente con la sección divergente siguiendo una relación predeterminada con el área de garganta convergente. [16] Alternativamente, el área de la garganta y el área de salida se pueden controlar de forma independiente, para permitir que la sección divergente coincida con la condición exacta de vuelo. [dieciséis]
Métodos de control de boquillas
- Relaciones de área geométrica
- Mantener una relación de área geométrica fija desde la garganta hasta la salida durante la vectorización. La garganta efectiva se contrae a medida que aumenta el ángulo de vectorización.
- Relaciones de área efectiva
- Mantener una relación de área efectiva fija desde la garganta hasta la salida durante la vectorización. La garganta geométrica se abre a medida que aumenta el ángulo de vectorización.
- Relaciones de área diferencial
- Maximizar la eficiencia de expansión de la boquilla generalmente mediante la predicción del área efectiva óptima en función del caudal másico.
Métodos de vectorización de empuje
- Tipo i
- Toberas cuyo bastidor base se gira mecánicamente antes de la garganta geométrica.
- Tipo II
- Boquillas cuyo bastidor base gira mecánicamente en la garganta geométrica.
- Tipo III
- Boquillas cuyo bastidor base no está girado. Más bien, la adición de paletas o paletas post-salida de deflexión mecánica permite la deflexión del chorro.
- Tipo IV
- Deflexión del chorro a través de contraflujo o co-flujo (por control de vector de choque o cambio de garganta) [21] corrientes de chorro auxiliares. Deflexión del chorro a base de fluido mediante inyección secundaria de fluidos. [21]
- Tipo adicional
- Toberas cuyo conducto de escape aguas arriba consta de segmentos en forma de cuña que giran entre sí alrededor de la línea central del conducto. [17] [22] [23]
Ejemplos operativos
Aeronave
Un ejemplo de vectorización de empuje 2D es el motor Rolls-Royce Pegasus utilizado en el Hawker Siddeley Harrier , así como en la variante AV-8B Harrier II .
El uso generalizado de la vectorización de empuje para mejorar la maniobrabilidad en aviones de combate de modelos de producción occidentales no se produjo hasta el despliegue del caza a reacción de quinta generación Lockheed Martin F-22 Raptor en 2005, con su postcombustión, vectorización de empuje 2D Pratt & Whitney F119. turbofan . [24]
El Lockheed Martin F-35 Lightning II mientras usaba un turboventilador convencional de postcombustión (Pratt & Whitney F135) para facilitar la operación supersónica, la variante F-35B, desarrollada para uso conjunto por el Cuerpo de Marines de los EE. UU. , Royal Air Force , Royal Navy e Italia Navy , también incorpora un ventilador remoto impulsado por eje de baja presión montado verticalmente, que se acciona a través de un embrague durante el aterrizaje desde el motor. Tanto el escape de este ventilador como el ventilador del motor principal son desviados por boquillas de vectorización de empuje, para proporcionar la combinación adecuada de elevación y empuje de propulsión. No está concebido para mejorar la maniobrabilidad en combate, solo para la operación VTOL , y el F-35A y el F-35C no usan vectorización de empuje en absoluto.
El Sukhoi Su-30MKI , producido por India bajo licencia de Hindustan Aeronautics Limited , está en servicio activo con la Fuerza Aérea India . El TVC hace que la aeronave sea altamente maniobrable, capaz de alcanzar una velocidad aérea cercana a cero en ángulos de ataque altos sin detenerse, y acrobacias aéreas dinámicas a bajas velocidades. El Su-30MKI es alimentado por dos Al-31FP postcombustión turbofans . Las boquillas TVC del MKI están montadas 32 grados hacia afuera con respecto al eje longitudinal del motor (es decir, en el plano horizontal) y se pueden desviar ± 15 grados en el plano vertical. Esto produce un efecto de sacacorchos , mejorando en gran medida la capacidad de giro de la aeronave. [25]
Algunos estudios computarizados agregan vectorización de empuje a los aviones de pasajeros existentes, como el Boeing 727 y 747, para evitar fallas catastróficas, mientras que el X-48C experimental puede ser impulsado por un jet en el futuro. [26]
Otro
Ejemplos de cohetes y misiles que utilizan vectorización de empuje incluyen sistemas grandes como el Space Shuttle Solid Rocket Booster (SRB), el misil tierra-aire S-300P (SA-10) , el misil balístico nuclear UGM-27 Polaris y el RT- 23 (SS-24) misiles balísticos y armas de campo de batalla más pequeñas como Swingfire .
Los principios de la vectorización del empuje de aire se han adaptado recientemente a las aplicaciones marítimas militares en forma de dirección rápida por chorro de agua que proporciona una gran agilidad. Algunos ejemplos son el barco patrullero rápido Dvora Mk-III, el barco de misiles de la clase Hamina y los barcos de combate Litoral de la Armada de los EE. UU . [26]
Lista de aviones de propulsión vectorial
La vectorización de empuje puede transmitir dos beneficios principales: VTOL / STOL y mayor maniobrabilidad. Las aeronaves generalmente se optimizan para aprovechar al máximo un beneficio, aunque se beneficiarán del otro.
Para capacidad VTOL
- Campana Modelo 65
- Campana X-14
- Bell Boeing V-22 Osprey
- Boeing X-32 [27]
- Dornier Do 31
- EWR VJ 101
- Harrier Jump Jet
- Harrier aeroespacial británico II
- Sea Harrier aeroespacial británico
- Hawker Siddeley Harrier
- McDonnell Douglas AV-8B Harrier II
- Hawker Siddeley Kestrel
- Hawker Siddeley P.1127
- Lockheed Martin F-35B Lightning II
- VFW VAK 191B
- Yakovlev Yak-38
- Yakovlev Yak-141
Para una mayor maniobrabilidad
Vectorización en dos dimensiones
- McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD (experimental)
- Lockheed Martin F-22 Raptor (solo lanzamiento) [28]
- Chengdu J-20 (con motor WS-10B o AL-31FM2 , cabeceo y balanceo)
- Sukhoi Su-30MKM (cabeceo y balanceo)
- Sukhoi Su-30MKI (cabeceo y balanceo)
- Sukhoi Su-30MKA (cabeceo y balanceo)
- Sukhoi Su-30SM (cabeceo y balanceo)
- McDonnell Douglas X-36 (solo guiñada) [27]
- Me 163 B usó experimentalmente una paleta de dirección de cohete para el eje de guiñada
Vectorización en tres dimensiones
- Chengdu J-10B TVC (experimental)
- Chengdu J-20 (con motor WS-15 )
- Mikoyan MiG-35 (MiG-29OVT)
- McDonnell Douglas F-15 ACTIVE (experimental)
- General Dynamics F-16 VISTA (experimental)
- Rockwell-MBB X-31 (experimental)
- McDonnell Douglas F-18 HARV (experimental)
- Mitsubishi X-2 (experimental)
- Sukhoi Su-35S
- Sukhoi Su-57
Otro
- Dirigible de 23 clases , una serie de dirigibles británicos de la Primera Guerra Mundial
- Airship Industries Skyship 600 dirigible moderno
- Dirigible de empuje-vectorización moderno Zeppelin NT
Ver también
- Estocada con gimbaled
- Empuje inverso
- Tiltjet
- Tiltrotor
- Tiltwing
- Niñera
- VTOL
Referencias
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enlaces externos
- Medios relacionados con la vectorización de empuje en Wikimedia Commons