En aerodinámica supersónica , un arranque se refiere a una ruptura generalmente violenta del flujo de aire supersónico. El fenómeno ocurre cuando el caudal másico cambia significativamente dentro de un conducto. Evitar los arranques es un objetivo clave en el diseño de las tomas de aire de los motores de aviones supersónicos que vuelan a velocidades superiores a Mach 2,2.
El término se originó durante el uso de los primeros túneles de viento supersónicos . “Iniciar” el túnel de viento supersónico es el proceso en el que el aire se vuelve supersónico; El arranque del túnel de viento es el proceso inverso. [1] Las ondas de choque que se desarrollan durante el proceso de inicio o reinicio se pueden visualizar con técnicas ópticas de Schlieren o de gráfico de sombras .
En algunos contextos, los términos perturbación aerodinámica ( AD ) y desarranque han sido sinónimos.
El diseño de algunas tomas de aire para aviones supersónicos se puede comparar con el de los túneles de viento supersónicos y requiere un análisis cuidadoso para evitar fugas. [2] A altas velocidades supersónicas (normalmente entre Mach 2 y 3), las entradas con compresión interna están diseñadas para tener un flujo supersónico aguas abajo del plano de captura de la entrada de aire. Si el flujo másico a través del plano de captura de la admisión no coincide con el flujo másico aguas abajo en el motor, la admisión no arrancará. Esto puede provocar una pérdida de control violenta y temporal hasta que se reinicie la ingesta. [3]
Pocos aviones, aunque muchos misiles propulsados por estatorreactores, han volado con tomas que tienen una compresión supersónica dentro del conducto de admisión. Estas tomas, conocidas como tomas de compresión mixta, tienen ventajas para aviones que vuelan a Mach 2,2 y superiores. [4] La mayoría de las entradas de aviones supersónicos comprimen el aire externamente, por lo que no arrancan y, por lo tanto, no tienen modo de no arranque. Las tomas de compresión mixta tienen la compresión supersónica inicial en el exterior y el resto en el interior del conducto. Como ejemplo, las tomas del XB-70 Valkyrie norteamericano tenían una relación de compresión externa (cr) en M3 de 3,5 y una cr interna de aproximadamente 6,6, [5] seguida de difusión subsónica. El Lockheed SR-71 Blackbird y el XB-70 Valkyrie tenían un comportamiento de arranque bien publicitado [6] [7] . Otros aviones que han volado con compresión interna incluyen el Vought F-8 Crusader III, el misil de crucero SSM-N-9 Regulus II [8] y el B-1 Lancer . [9]
Se consideró una compresión interna parcial para el Concorde (el Comité de Aviones de Transporte Supersónico, en 1959, había recomendado un SST para volar a Mach 2,2 [10] ) pero "se eligió una configuración externa por la estabilidad inherente de su sistema de choque, no tenía modo de desarranque". [11] Aunque hubo cierta compresión interna terminada por un choque normal local en la ranura de purga de la capa límite de la rampa dentro de la entrada, [12] la entrada se autocompensaba aerodinámicamente sin rastro de ningún problema de arranque. [13] Al principio del desarrollo del B-1 Lancer, su entrada mixta externa/interna se cambió a una externa, técnicamente más segura pero con un pequeño compromiso en la velocidad de crucero. [14] Posteriormente tuvo ingestas fijas para reducir la complejidad, el peso y el costo. [15]
Un trabajo de la década de 1940, por ejemplo el de Oswatitsch [16] , demostró que la compresión supersónica dentro de un conducto, conocida como difusor supersónico, se hace necesaria en M2-3 para aumentar la recuperación de presión con respecto a la que se puede obtener con la compresión externa. A medida que la velocidad de vuelo aumenta supersónicamente, el sistema de choque es inicialmente externo. Para el SR-71 esto fue hasta aproximadamente M1.6 a M1.8 [17] y M2 para el XB-70. [18] Se dice que la ingesta no ha comenzado. Un mayor aumento de la velocidad produce velocidades supersónicas dentro del conducto con un choque plano cerca de la garganta. Se dice que la ingesta ha comenzado. Las perturbaciones aguas arriba o aguas abajo, como ráfagas/gradientes de temperatura atmosférica y cambios en el flujo de aire del motor, tanto intencionales como no intencionales (por aumento repentino), tienden a causar que el choque sea expulsado casi instantáneamente. La expulsión del choque, conocida como unstart, hace que toda la compresión supersónica se produzca externamente a través de un choque de un solo plano. La admisión ha cambiado en una fracción de segundo desde su configuración más eficiente con la mayor parte de su compresión supersónica teniendo lugar dentro del conducto a la menos eficiente, como lo muestra la gran pérdida en la recuperación de presión, de aproximadamente el 80% a aproximadamente el 20% a velocidades de vuelo M3. . [19] Hay una gran caída en la presión de admisión y una pérdida de empuje junto con una pérdida temporal de control de la aeronave.
No debe confundirse con un arranque, con su gran pérdida de presión en el conducto, la sobrepresión del conducto resultante de un golpe de martillo. [20] A velocidades inferiores a la velocidad de arranque de admisión, o en aeronaves con tomas de compresión externas, la sobretensión del motor o la parada del compresor pueden causar un golpe de martillo. Por encima de la velocidad de arranque de admisión, los no arranques pueden provocar paradas dependiendo de la complejidad del diseño de los sistemas de admisión. [21] Los golpes de martillo han causado daños a las tomas. Por ejemplo, el F-107 norteamericano durante el vuelo a alta velocidad experimentó una sobretensión del motor que dobló las rampas de admisión. El Concorde , durante las pruebas de vuelo de desarrollo, experimentó daños importantes en una góndola después de que ambos motores funcionaran. [22]
Cuando se produjo un arranque en el SR-71, una gran cantidad de resistencia de la góndola no arrancada provocó un balanceo/guiñada extremo. La aeronave disponía de un procedimiento de reinicio automático que equilibraba la resistencia al desactivar la otra toma. Esta entrada tenía su propia tremenda cantidad de resistencia, con la punta completamente hacia adelante para capturar la onda de choque frente a la entrada. [23]
Desacelerar desde M3 requirió una reducción del empuje que podría desactivar una admisión con el flujo de aire reducido del motor. El procedimiento de descenso del SR-71 utilizó flujos de derivación para dar un margen de no arranque a medida que se reducía el flujo del motor.
La reducción de empuje en el XB-70 se logró manteniendo el flujo del motor estable al 100% de rpm incluso con el ralentí seleccionado con el acelerador. Esto se conocía como "bloqueo de rpm" y el empuje se reducía aumentando el área de la boquilla. La velocidad del compresor se mantuvo hasta que la aeronave redujo la velocidad a M1,5. [7]
Utilizando una definición más teórica, unstart es el fenómeno de asfixia supersónica que se produce en conductos con un flujo másico aguas arriba mayor que el caudal másico aguas abajo. El flujo inestable se produce porque el desajuste en el flujo másico no puede propagarse gradualmente aguas arriba en contraste con el flujo subsónico . En cambio, en el flujo supersónico, el desajuste se transmite detrás de una onda de choque "normal" o terminal que abruptamente hace que el flujo de gas se vuelva subsónico. La onda de choque normal resultante se propaga aguas arriba a una velocidad acústica efectiva hasta que el desajuste del flujo alcanza el equilibrio.
Hay otras formas de conceptualizar el inicio que pueden resultar útiles. Alternativamente, se puede pensar en un inicio en términos de una presión de estancamiento decreciente dentro de un conducto supersónico; por lo que la presión de estancamiento aguas arriba es mayor que la presión de estancamiento aguas abajo. El inicio también es el resultado de una disminución del tamaño de la garganta en los conductos supersónicos. Es decir, la garganta de entrada es más grande que la garganta de difusión. Este cambio en el tamaño de la garganta da lugar al flujo másico decreciente que define el inicio. [24]
La reacción de asfixia del no iniciado da como resultado la formación de una onda de choque dentro del conducto.
En determinadas condiciones, la onda de choque delante o dentro de un conducto puede ser inestable y oscilar aguas arriba y aguas abajo. Este fenómeno se conoce como zumbido . [25] Las ondas de choque más fuertes que interactúan con un fluido de bajo impulso o una capa límite tienden a ser inestables y provocar zumbidos. Las condiciones de zumbido pueden causar fallas inducidas por la dinámica estructural si no se incorporan márgenes adecuados en el diseño.