Los conos de entrada (a veces llamados conos de choque o cuerpos centrales de entrada [1] ) son un componente de algunos aviones y misiles supersónicos . Se utilizan principalmente en estatorreactores , como el D-21 Tagboard y el Lockheed X-7 . Algunos aviones turborreactores, incluidos el Su-7 , el MiG-21 , el English Electric Lightning y el SR-71 , también utilizan un cono de entrada.
Un cono de entrada, como parte de una entrada de tipo Oswatitsch utilizada en un avión o misil supersónico, es la superficie tridimensional en la que se produce la compresión supersónica de un motor de turbina de gas o una cámara de combustión de estatorreactor mediante ondas de choque oblicuas. Al reducir la velocidad del aire a bajas velocidades supersónicas mediante un cono, se minimiza la pérdida de presión total (aumenta la recuperación de presión). Además, el cono, junto con el borde de la cubierta de entrada, determina el área que regula el flujo que ingresa a la entrada. Si el flujo es mayor que el requerido por el motor, puede producirse inestabilidad de la posición de choque (zumbido). Si es menor que el requerido, la recuperación de presión es menor, lo que reduce el empuje del motor. [2]
Se puede utilizar una entrada con cono para suministrar aire a alta presión para equipos estatorreactores que normalmente serían accionados por eje en un motor de turbina, por ejemplo, para impulsar turbobombas para la bomba de combustible en el estatorreactor Bristol Thor y energía hidráulica en el misil Bristol Bloodhound .
El ángulo del cono se elige de tal manera que, en la condición de diseño para la entrada (Mach 1,7 para la entrada de English Electric Lightning [3] ), la onda de choque que se forma en su vértice coincide con el borde de la cubierta. La entrada pasa su flujo de aire máximo y logra su recuperación de presión máxima. [4] Una velocidad de diseño más alta puede requerir dos choques oblicuos enfocados en el borde para mantener una recuperación de presión aceptable y pasar el flujo de aire máximo. En este caso, se requiere un cono bicónico con dos ángulos (el estatorreactor Bristol Thor tiene 24 y 31 grados para una velocidad de diseño de Mach 2,5). [5] Para velocidades más altas, se puede utilizar una transición contorneada más suave entre los ángulos del cono en lo que se conoce como un pico isentrópico ( estatorreactor Marquardt RJ43 ). [6]
El cuerpo cónico puede ser un cuerpo central de cono completo en una entrada redonda ( MiG-21 ), un medio cono en una entrada de fuselaje lateral ( Lockheed F-104 Starfighter ) o un cuarto de cono en una entrada de fuselaje lateral/debajo del ala ( General Dynamics F-111 Aardvark ).
La parte trasera del cono, más allá de su diámetro máximo, orientada hacia atrás y oculta dentro del conducto, tiene una forma similar a la de la parte delantera que sobresale. El cono visible es un difusor supersónico con un requisito de baja pérdida de presión total, y la parte trasera, aerodinámica, junto con el perfil de la superficie interna del conducto, forma el difusor subsónico, también con un requisito de baja pérdida de presión total a medida que el aire se desacelera hasta el número de Mach de entrada del compresor.
Para números de Mach inferiores a 2,2, toda la compresión del choque se realiza externamente. Para números de Mach superiores, parte de la difusión supersónica tiene que tener lugar dentro del conducto, conocida como compresión externa/interna o mixta. En este caso, la parte trasera de la superficie cónica orientada hacia delante, junto con el perfil de la superficie interna del conducto, continúa la difusión supersónica con choques oblicuos reflejados hasta el choque normal final. En el caso del Lockheed SR-71 Blackbird, con parte de la compresión supersónica teniendo lugar dentro del conducto, las superficies de la punta y la cubierta interna se curvaron para una compresión isentrópica gradual. [7] El cono de entrada también tiene diferentes posiciones axiales para controlar cómo varía el área de captura con el área de la garganta interna del conducto. Para un mejor funcionamiento de la entrada, esta relación de área requerida aumenta con el aumento del número de Mach de vuelo, de ahí el gran movimiento del cono de entrada en el SR-71 , que tenía que funcionar bien desde bajas velocidades hasta Mach 3,2. En el SR-71, el cono se mueve hacia atrás a velocidades más altas. [8]
A velocidades de vuelo subsónicas, la entrada cónica funciona de forma muy similar a una entrada de tubo de Pitot o un difusor subsónico. Sin embargo, cuando el vehículo alcanza velocidades supersónicas, aparece una onda de choque cónica que emana del vértice del cono. El área de flujo a través de la onda de choque disminuye y el aire se comprime. A medida que aumenta el número de Mach en vuelo, la onda de choque cónica se vuelve más oblicua y finalmente incide en el borde de admisión.
Para velocidades de vuelo más altas, se hace necesario un cono móvil para permitir que la compresión supersónica se produzca de forma más eficiente en un rango más amplio de velocidades. Al aumentar la velocidad de vuelo, en la entrada de cono móvil supersónico de tipo Oswatitsch típica, el cono se mueve hacia adelante (MiG-21), y si es una entrada de cono de tipo no Oswatitsch (SR-71), se mueve hacia atrás o hacia la entrada. En ambos casos, debido a la forma de la superficie del cono y la superficie del conducto interno, el área de flujo interno se reduce según lo requerido para continuar comprimiendo el aire de forma supersónica. La compresión que se produce en este camino se denomina "compresión interna" (a diferencia de la "compresión externa" en el cono). En el área de flujo mínima, o garganta, se produce un choque normal o plano. Luego, el área de flujo aumenta para la compresión subsónica, o difusión, hasta la cara del motor.
La posición del cono dentro de la entrada suele controlarse automáticamente para mantener la onda de choque del plano correctamente ubicada justo aguas abajo de la garganta. Ciertas circunstancias pueden provocar que la onda de choque sea expulsada de la entrada. Esto se conoce como un arranque .
Algunas entradas de aire tienen un cuerpo central bicónico ( MIG-21 ) para formar dos ondas de choque cónicas, ambas enfocadas en el borde de la entrada. Esto mejora la recuperación de presión. Algunas aeronaves ( BAC TSR-2 , F-104 , Mirage III ) utilizan un cuerpo central semicónico. El F-111 tiene un cuarto de cono, que se mueve axialmente, seguido de una sección de cono expansible.
El Concorde , el Tu-144 , el F-15 Eagle , el MiG-25 Foxbat y el A-5 Vigilante utilizan las llamadas entradas 2D, en las que la góndola es rectangular y una rampa de entrada plana reemplaza los conos dobles. Las rampas de entrada permiten utilizar capós de entrada en forma de flecha ( F-22 Raptor , F-35 Lightning II ) para evitar sacudidas.
Algunos otros aviones supersónicos ( Eurofighter Typhoon ) utilizan un labio de carenado inferior variable [9] para operar con un ángulo de ataque alto y un sistema de purga (pared porosa) incorporado en la rampa de admisión para facilitar la estabilización del sistema de amortiguación a números de Mach supersónicos. Para mejorar el flujo de admisión (distorsión reducida), el aire se descarga a través de una ranura de purga de admisión en el lado de la rampa aguas abajo de la admisión. La rampa, que está separada del fuselaje por un desviador, produce un amortiguador oblicuo para desacelerar el flujo. El borde delantero de la placa divisora que separa las dos entradas se encuentra aguas abajo de este amortiguador oblicuo. [10]
Muchos aviones supersónicos ( F-16 Fighting Falcon ) prescinden del cuerpo central cónico y emplean una simple entrada de tubo de Pitot . A velocidades de vuelo supersónicas, aparece un amortiguador normal fuerte y desprendido directamente delante de la entrada, lo que provoca una recuperación de presión deficiente.
La NASA ha probado una alternativa a la entrada de compresión externa/interna, o mixta, necesaria para velocidades superiores a Mach 2,2 (por debajo de esa velocidad se utilizan entradas con compresión totalmente externa). La entrada de compresión mixta es susceptible a desarranques o expulsión del choque interno hacia delante de la entrada. La entrada de la NASA, a la que llaman entrada paramétrica, realiza toda la compresión supersónica externamente, de modo que no se produce ningún choque dentro del conducto en una ubicación potencialmente inestable.[1]
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