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En aeronáutica , un canard es una configuración de ala en la que una pequeña ala delantera o plano delantero se coloca delante del ala principal de un avión de ala fija o de un arma. El término "canard" puede usarse para describir la propia aeronave, la configuración del ala o el plano de proa. [1] [2] [3] Las alas Canard también se utilizan ampliamente en misiles guiados y bombas inteligentes . [4] [5] [6]
El término "canard" surgió de la aparición del Santos-Dumont 14-bis de 1906, del que se decía que recordaba a un pato ( canard en francés) con el cuello estirado en vuelo. [7] [8]
A pesar del uso de una superficie canard en el primer avión propulsado, el Wright Flyer de 1903, los diseños canard no se construyeron en cantidad hasta la aparición del caza a reacción Saab Viggen en 1967. La aerodinámica de la configuración canard es compleja y requiere un análisis cuidadoso. .
En lugar de utilizar la configuración de plano de cola convencional que se encuentra en la mayoría de los aviones, un diseñador de aviones puede adoptar la configuración canard para reducir la carga del ala principal, controlar mejor el flujo de aire del ala principal o aumentar la maniobrabilidad del avión, especialmente en ángulos de ataque altos o durante un puesto . [9] Los planos delanteros Canard, ya sea que se utilicen en una configuración canard o de tres superficies , tienen consecuencias importantes para el equilibrio longitudinal y las características de estabilidad estática y dinámica de la aeronave.
Los hermanos Wright comenzaron a experimentar con la configuración del plano de proa alrededor de 1900. Su primera cometa incluía una superficie frontal para el control del cabeceo y adoptaron esta configuración para su primer Flyer . Sospechaban de la cola de popa porque Otto Lilienthal había muerto en un planeador con una. Los Wright se dieron cuenta de que un plano de proa tendería a desestabilizar un avión, pero esperaban que fuera una mejor superficie de control, además de ser visible para el piloto en vuelo. [10] Creyeron que era imposible proporcionar control y estabilidad en un solo diseño y optaron por el control.
Muchos pioneros inicialmente siguieron el ejemplo de los Wright. [11] Por ejemplo, el avión Santos-Dumont 14-bis de 1906 no tenía "cola", sino un conjunto de superficies de control en forma de cometa en la parte delantera, que giraban sobre una junta universal en la punta extrema del fuselaje. Esto estaba destinado a proporcionar control tanto de guiñada como de cabeceo. El Fabre Hydravion de 1910 fue el primer hidroavión que voló y tenía un plano de proa.
Pero el comportamiento engañoso no se entendía adecuadamente y otros pioneros europeos (entre ellos, Louis Blériot ) estaban estableciendo el plano de cola como el diseño más seguro y "convencional". Algunos, incluidos los Wright, experimentaron con planos de proa y de popa en el mismo avión, lo que ahora se conoce como configuración de tres superficies .
Después de 1911, se producirían pocos tipos de canard durante muchas décadas. En 1914, WE Evans comentó que "el modelo tipo Canard prácticamente ha recibido su golpe mortal en lo que respecta a los modelos científicos". [12]
Los experimentos continuaron esporádicamente durante varias décadas.
En 1917, de Bruyère construyó su caza biplano C 1 , que tenía un plano delantero canard y una hélice empujadora montada en la parte trasera. El C 1 fue un fracaso. [13]
El Focke-Wulf F 19 "Ente" (pato) experimental, que voló por primera vez en 1927, tuvo más éxito. Se construyeron dos ejemplares y uno de ellos continuó volando hasta 1931.
Inmediatamente antes y durante la Segunda Guerra Mundial, se volaron varios cazas canard experimentales, incluidos el Ambrosini SS.4 , el Curtiss-Wright XP-55 Ascender y el Kyūshū J7W1 Shinden . Estos fueron intentos de utilizar la configuración canard para ofrecer ventajas en áreas como el rendimiento, la disposición del armamento o la vista del piloto. Al final no se completó ningún avión de producción. Se ordenó la producción del Shinden "fuera de la mesa de dibujo" [ se necesita aclaración ] pero sólo los prototipos habían volado cuando terminó la guerra.
En 1945, en Europa apareció como avión de prueba lo que pudo haber sido el primer canard diseñado y volado en la Unión Soviética : el experimental Mikoyan-Gurevich MiG-8 Utka (en ruso, "pato"), un avión de hélice ligero. Se destacó por sus dóciles características de manejo a baja velocidad [ cita necesaria ] y voló durante algunos años, siendo utilizado como banco de pruebas durante el desarrollo del ala en flecha del caza a reacción MiG-15 (diseño convencional).
Con la llegada de la era del jet y los vuelos supersónicos, los diseñadores estadounidenses, en particular North American Aviation , comenzaron a experimentar con diseños supersónicos canard delta, con algunos como el XB-70 Valkyrie norteamericano y el equivalente soviético Sukhoi T-4 volando en prototipo. forma. Pero los problemas de estabilidad y control encontrados impidieron su adopción generalizada. [14]
En 1963, la empresa sueca Saab patentó un diseño de ala en delta que superó los problemas anteriores, en lo que se conoce como canard de acoplamiento cercano. [14] [15] Fue construido como Saab 37 Viggen y en 1967 se convirtió en el primer avión canard moderno en entrar en producción. El éxito de este avión estimuló a muchos diseñadores, y las superficies canard brotaron en varios tipos derivados del popular caza a reacción de alas delta Dassault Mirage . Estos incluían variantes del Dassault Mirage III francés , el IAI Kfir israelí y el Atlas Cheetah sudafricano . El delta canard monoacoplado sigue siendo una configuración popular para los aviones de combate.
El Viggen también inspiró al estadounidense Burt Rutan a crear un diseño de delta canard biplaza de construcción casera, llamado VariViggen y volado en 1972. Luego, Rutan abandonó el ala delta por no ser adecuada para este tipo de aviones ligeros. Sus siguientes dos diseños de canard, el VariEze y el Long-EZ, tenían alas en flecha de mayor envergadura. Estos diseños no sólo tuvieron éxito y se construyeron en grandes cantidades, sino que también fueron radicalmente diferentes de todo lo visto antes. [16] Las ideas de Rutan pronto se extendieron a otros diseñadores. A partir de los años 1980 encontraron popularidad en el mercado ejecutivo con la aparición de modelos como el OMAC Laser 300 , el Avtek 400 y el Beech Starship .
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Los diseños de canard estáticos pueden tener interacciones complejas en el flujo de aire entre el canard y el ala principal, lo que genera problemas de estabilidad y comportamiento en la pérdida. [17] Esto limita su aplicabilidad. El desarrollo del vuelo por cable y la estabilidad artificial hacia finales de siglo abrió el camino para que los controles computarizados comenzaran a convertir estos complejos efectos de problemas de estabilidad en ventajas de maniobrabilidad. [dieciséis]
Este enfoque produjo una nueva generación de diseños de bulos militares. El caza polivalente Dassault Rafale voló por primera vez en 1986, seguido por el Saab Gripen (primero en entrar en servicio) en 1988 y el Eurofighter Typhoon en 1994. Estos tres tipos y los estudios de diseño relacionados a veces se denominan euro-canards o eurocanards . [18] [19] [20] El Chengdu J-10 chino apareció en 1998.
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Como cualquier superficie de ala, un canard contribuye a la sustentación, (in)estabilidad y ajuste de una aeronave, y también puede usarse para control de vuelo.
Cuando la superficie del canard contribuye a la sustentación, el peso de la aeronave se comparte entre el ala y el canard. Se ha descrito como una configuración convencional extrema pero con un ala pequeña altamente cargada y una enorme cola elevadora que permite que el centro de masa esté muy atrás en relación con la superficie frontal. [21]
Un canard de elevación genera una carga, a diferencia de una cola de popa convencional que a veces genera una sustentación negativa que debe contrarrestarse con una sustentación adicional en el ala principal. Como la elevación del canard aumenta la capacidad de elevación general de la aeronave, esto puede parecer que favorece el diseño del canard. En particular, en el despegue, el ala está más cargada y donde una cola convencional ejerce una carga aerodinámica que empeora la carga, un canard ejerce una fuerza hacia arriba aliviando la carga. Esto permite un ala principal más pequeña.
Sin embargo, el plano de proa también crea una corriente descendente , que puede afectar favorable o desfavorablemente a la distribución de la sustentación del ala, por lo que las diferencias en la sustentación general y la resistencia inducida no son obvias y dependen de los detalles del diseño. [22] [21] [23]
Con un canard de elevación, el ala principal debe ubicarse más atrás del centro de gravedad que un ala convencional, aumentando el momento de cabeceo hacia abajo causado por la deflexión de sus flaps del borde de fuga . [24]
El control de cabeceo en un tipo canard se puede lograr mediante la superficie del canard, como en el canard de control, o del mismo modo que en un avión sin cola , mediante superficies de control en la parte trasera del ala principal, como en el Saab Viggen.
En un diseño de canard de control, la mayor parte del peso de la aeronave lo soporta el ala y el canard se utiliza principalmente para controlar el cabeceo durante las maniobras. Un canard de control puro opera sólo como una superficie de control y nominalmente tiene un ángulo de ataque cero y no lleva carga en vuelo normal. Los aviones de combate modernos con configuración canard suelen tener un canard de control impulsado por un sistema de control de vuelo computarizado . [24]
Se pueden utilizar canards con poca o ninguna carga (es decir, canards de control) para desestabilizar intencionalmente algunos aviones de combate con el fin de hacerlos más maniobrables. El sistema electrónico de control de vuelo utiliza la función de control de cabeceo del plano delantero del canard para crear estabilidad estática y dinámica artificial. [22] [23]
Un beneficio que se puede obtener de un canard de control es la corrección del cabeceo durante una pérdida en la punta del ala. Se puede utilizar un canard en todo movimiento capaz de una desviación significativa del morro hacia abajo para contrarrestar el cabeceo debido a la pérdida de la punta. Como resultado, la relación de aspecto y el barrido del ala se pueden optimizar sin tener que protegerse contra el cabeceo. [24] Un canard de elevación muy cargado no tiene suficiente capacidad de elevación adicional para proporcionar esta protección. [ cita necesaria ] [25]
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Se puede utilizar un plano delantero canard como estabilizador horizontal , ya sea que la estabilidad se logre estáticamente [26] [27] [28] o artificialmente (vuelo por cable). [29]
Al estar colocado delante del centro de gravedad, un plano delantero canard actúa directamente para reducir la estabilidad estática longitudinal (estabilidad en cabeceo). El primer avión que logró un vuelo controlado y propulsado, el Wright Flyer , fue concebido como un canard de control [30] pero en realidad también era un canard de elevación inestable. [31] En ese momento los hermanos Wright creían que la inestabilidad era un requisito para hacer que un avión fuera controlable. No sabían cómo hacer que un estabilizador fuera inestable, por lo que eligieron una superficie de control canard por este motivo.
Sin embargo, se puede agregar un estabilizador canard a un diseño que de otro modo sería inestable para obtener una estabilidad general del cabeceo estático. [32] Para lograr esta estabilidad, el cambio en el coeficiente de sustentación del canard con el ángulo de ataque (pendiente del coeficiente de sustentación) debe ser menor que el del avión principal. [33] Varios factores afectan esta característica. [24] Por ejemplo, siete años después del primer vuelo de los Wright, el ASL Valkyrie adoptó la posición canard para que el avión fuera estable y seguro.
Para la mayoría de los perfiles aerodinámicos , la pendiente de sustentación disminuye con coeficientes de sustentación altos. Por lo tanto, la forma más común de lograr la estabilidad del cabeceo es aumentar el coeficiente de sustentación (es decir, la carga alar) del canard. Esto tiende a aumentar la resistencia inducida por la sustentación del plano de proa, al que se le puede dar una relación de aspecto alta para limitar la resistencia. [33] Un perfil aerodinámico de este tipo tiene una curvatura mayor que el ala.
Otra posibilidad es disminuir la relación de aspecto del canard, [34] con nuevamente más resistencia inducida por la sustentación y posiblemente un ángulo de pérdida mayor que el del ala. [35]
Un enfoque de diseño utilizado por Burt Rutan es un canard de alta relación de aspecto con un mayor coeficiente de sustentación (la carga alar del canard es entre 1,6 y 2 veces la del ala) y un perfil aerodinámico canard cuya pendiente del coeficiente de sustentación no es lineal (casi plana). entre 14° y 24°. [36]
Otro parámetro de estabilización es el efecto de potencia. En el caso de una hélice de empuje canard : "la limpieza del flujo inducido por potencia del borde de salida del ala" [36] aumenta la pendiente del coeficiente de sustentación del ala (ver arriba). Por el contrario, una hélice situada delante del canard (aumentando la pendiente de sustentación del canard) tiene un fuerte efecto desestabilizador. [37]
Se puede utilizar un plano de proa canard para compensar el cabeceo de un avión, al igual que un plano de cola. La fuerza de trimado en cabeceo es también una fuerza de elevación, y cuanto mayor es, mayor es la resistencia inducida asociada , conocida como resistencia de trimado . Sin embargo, mientras que una cola convencional normalmente empuja hacia abajo con una fuerza de trimado negativa que hace que el ala trabaje más, un canard empuja hacia arriba para que el ala trabaje menos. En realidad, esto reduce la resistencia neta, lo que resulta en una resistencia de compensación negativa. [2]
El uso de flaps de aterrizaje en el ala principal provoca un gran cambio de trimado, que debe compensarse. El Saab Viggen tiene solapas en su superficie canard que pueden desplegarse simultáneamente con las solapas principales. El Beech Starship utiliza planos de avance de barrido variable para recortar la posición de la fuerza de sustentación.
Cuando el ala principal está más cargada, en el despegue, para girar el morro hacia arriba, un plano de cola convencional generalmente empuja hacia abajo mientras un plano de proa se levanta. Por lo tanto, para mantener el equilibrio, el ala principal en un diseño canard debe ubicarse más atrás con respecto al centro de gravedad que en el diseño convencional equivalente.
Se ha demostrado que un canard estrechamente acoplado beneficia un diseño de ala delta supersónica que gana sustentación tanto en vuelos transónicos (como en supercrucero ) como en vuelos a baja velocidad (como despegues y aterrizajes). [38]
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En el canard de ala delta acoplada, el plano delantero está ubicado justo encima y delante del ala. Los vórtices generados por un plano anterior en forma de delta fluyen hacia atrás por el ala principal e interactúan con sus propios vórtices. Debido a que son fundamentales para la sustentación, un plano delantero mal colocado puede causar problemas graves. Al acercar el plano de proa al ala y justo encima de ella en una disposición estrechamente acoplada, las interacciones pueden resultar beneficiosas y, de hecho, ayudar a resolver otros problemas también. [14] Por ejemplo, en ángulos de ataque altos (y por lo tanto típicamente a bajas velocidades), la superficie canard dirige el flujo de aire hacia abajo sobre el ala, reduciendo la turbulencia, lo que resulta en una reducción de la resistencia y una mayor sustentación. [39] Normalmente, el plano de proa crea un vórtice que se adhiere a la superficie superior del ala, estabilizando y revitalizando el flujo de aire sobre el ala y retrasando o previniendo la pérdida. [ cita necesaria ] [40]
El plano delantero del canard puede ser fijo como en el IAI Kfir , tener flaps de aterrizaje como en el Saab Viggen , o ser móvil y también actuar como un canard de control durante el vuelo normal como en el Dassault Rafale .
Un canard que flota libremente gira de modo que toda la superficie puede girar libremente para cambiar su ángulo de incidencia con el fuselaje sin intervención del piloto. En vuelo normal, la distribución de la presión del aire mantiene su ángulo de ataque al flujo de aire y, por lo tanto, también el coeficiente de sustentación que genera, en una cantidad constante. Un mecanismo de flotación libre puede aumentar la estabilidad estática y proporcionar una recuperación segura de evoluciones de ataque desde ángulos elevados . [41] [42] El primer Curtiss XP-55 Ascender inicialmente estaba equipado con un pequeño bulo flotante que carecía de autoridad suficiente. Incluso en los prototipos posteriores equipados con superficies más grandes, "la pérdida fue toda una experiencia". [43] Se pueden agregar superficies móviles secundarias al canard de flotación libre, permitiendo que la entrada del piloto afecte la sustentación generada, proporcionando así control de cabeceo y/o ajuste de compensación.
El Beechcraft Starship tiene una superficie canard de barrido variable. El barrido se varía en vuelo girando los planos de proa hacia adelante para aumentar su efectividad y así recortar el efecto de cabeceo con el morro hacia abajo causado por los flaps cuando se despliegan. [44]
Un bigote es un plano de proa pequeño y de alta relación de aspecto que se despliega para vuelos a baja velocidad con el fin de mejorar el manejo en ángulos de ataque altos, como durante el despegue y el aterrizaje. Se retrae a alta velocidad para evitar la penalización por arrastre de olas de un diseño canard. Fue visto por primera vez en el Dassault Milan y posteriormente en el Tupolev Tu-144 . La NASA también ha investigado un equivalente giratorio de una sola pieza llamado canard conformablemente estibable, [45] donde cuando la superficie está estibada, un lado se desplaza hacia atrás y el otro hacia adelante. [46]
El Rockwell B-1 Lancer tiene pequeñas paletas o aletas a cada lado del fuselaje delantero que forman parte de un sistema de amortiguación activo que reduce las sacudidas aerodinámicas durante vuelos a alta velocidad y baja altitud. De lo contrario, estos golpes causarían fatiga a la tripulación y reducirían la vida útil del fuselaje durante vuelos prolongados. [47] [48]
Los aviones Canard pueden tener potencialmente características de sigilo deficientes porque presentan grandes superficies angulares que tienden a reflejar las señales de radar hacia adelante. [22] [ página necesaria ] [49] El Eurofighter Typhoon utiliza el control por software de sus canards para reducir su sección transversal efectiva del radar . [50] [51]
Sin embargo, los Canards se han incorporado en algunos estudios posteriores de aviones furtivos, como una de las primeras maquetas del contendiente Joint Advanced Strike Technology (JAST) de Lockheed Martin [52] [53] y el prototipo de investigación McDonnell Douglas X-36 . [54] El caza Chengdu J-20 de quinta generación utiliza bulos con la creencia de que ofrecen el equilibrio óptimo entre sigilo y aerodinámica. [55] Algunos se preguntan si esto compromete sus características de sigilo. [56] [57] [58]
Los bulos de Rutan provocaron un cambio de mentalidad que podría tener una profunda influencia en el futuro..
{{citation}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ).En el primer avión del hermano Wright, el estabilizador horizontal fue colocado delante de las alas.
... un estabilizador delantero, generalmente conocido como estabilizador canard...
El X-29... mientras que sus bulos (estabilizadores horizontales para controlar el cabeceo) estaban delante de las alas en lugar de en el cola.
De manera consistente con ignorar la condición de momento neto (paso) cero, los Wright asumieron que en equilibrio el canard no llevaba carga y servía solo como dispositivo de control.
...el Flyer era muy inestable... La estabilidad lateral/direccional y el control del Flyer eran marginales.
La incorporación de control de balanceo en el canard es básicamente menos eficiente debido a una influencia adversa de la corriente descendente en el ala principal que se opone a la entrada del momento de balanceo del canard.
paletas canard.
aletas canard para control de suspensión.
