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En aeronáutica , un canard es una configuración de ala en la que se coloca un pequeño ala delantera o plano delantero por delante del ala principal de una aeronave de ala fija o de un arma. El término "canard" puede usarse para describir la aeronave en sí, la configuración del ala o el plano delantero. [1] [2] [3] Las alas canard también se usan ampliamente en misiles guiados y bombas inteligentes . [4] [5] [6]
El término "canard" surgió de la aparición del Santos-Dumont 14-bis de 1906, 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 a motor, 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 las aeronaves, un diseñador de aeronaves puede adoptar la configuración canard para reducir la carga del ala principal, para controlar mejor el flujo de aire del ala principal o para aumentar la maniobrabilidad de la aeronave, especialmente en ángulos de ataque altos o durante una pérdida . [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 de la aeronave y las características de estabilidad estática y dinámica.
Los hermanos Wright comenzaron a experimentar con la configuración del plano delantero alrededor de 1900. Su primera cometa incluía una superficie delantera para el control del cabeceo y adoptaron esta configuración para su primer Flyer . Desconfiaban de la cola trasera porque Otto Lilienthal había muerto en un planeador con una. Los Wright se dieron cuenta de que un plano delantero tendería a desestabilizar un avión, pero esperaban que fuera una mejor superficie de control, además de ser visible para el piloto en vuelo. [10] Creían que era imposible proporcionar tanto control como estabilidad en un solo diseño, y optaron por el control.
Muchos pioneros siguieron inicialmente 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 el extremo del morro del fuselaje. Esto tenía como objetivo proporcionar control tanto de guiñada como de cabeceo. El Fabre Hydravion de 1910 fue el primer hidroavión en volar y tenía un plano delantero.
Pero el comportamiento del canard no se comprendía bien y otros pioneros europeos, entre ellos Louis Blériot , estaban estableciendo el estabilizador vertical como el diseño más seguro y más "convencional". Algunos, incluidos los hermanos Wright, experimentaron con estabilizadores verticales en el mismo avión, lo que ahora se conoce como configuración de tres superficies .
Después de 1911, se fabricaron pocos modelos canard durante muchas décadas. En 1914, WE Evans comentó que "el modelo tipo canard prácticamente ha recibido su golpe mortal en lo que se refiere a modelos científicos". [12]
Los experimentos continuaron esporádicamente durante varias décadas.
En 1917, de Bruyère construyó su caza biplano C 1 , con un plano delantero canard y una hélice propulsora 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 siguió volando hasta 1931.
Inmediatamente antes y durante la Segunda Guerra Mundial, volaron varios cazas experimentales con configuración canard, entre ellos el Ambrosini SS.4 , el Curtiss-Wright XP-55 Ascender y el Kyūshū J7W1 Shinden . Se trataba de intentos de utilizar la configuración canard para obtener ventajas en áreas como el rendimiento, la disposición del armamento o la visibilidad del piloto. Al final, no se completó ningún avión de producción. Se ordenó la producción del Shinden "desde el tablero de dibujo" [ aclaración necesaria ], pero cuando terminó la guerra solo habían volado prototipos.
En 1945, en Europa, apareció como avión de pruebas el que pudo haber sido el primer canard diseñado y volado en la Unión Soviética : el Mikoyan-Gurevich MiG-8 Utka (en ruso, "pato"), un avión de hélice ligero y experimental. Se destacó por sus dóciles características de manejo a baja velocidad [ cita requerida ] y voló durante algunos años, utilizándose como banco de pruebas durante el desarrollo del ala en flecha del caza a reacción MiG-15 (de diseño convencional) .
Con la llegada de la era de los aviones a reacción y de los vuelos supersónicos, los diseñadores estadounidenses, en particular North American Aviation , comenzaron a experimentar con diseños supersónicos de tipo canard delta, y algunos de ellos, como el North American XB-70 Valkyrie y el equivalente soviético Sukhoi T-4, volaron en forma de prototipo. Sin embargo, los problemas de estabilidad y control que se encontraron impidieron su adopción generalizada. [14]
En 1963, la compañía sueca Saab patentó un diseño de ala delta que superó los problemas anteriores, en lo que se conoció como el canard de acoplamiento cerrado. [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 una serie de tipos derivados del popular caza a reacción de ala delta Dassault Mirage . Estos incluyeron variantes del Dassault Mirage III francés, el IAI Kfir israelí y el Atlas Cheetah sudafricano . El delta canard de acoplamiento cerrado sigue siendo una configuración popular para los aviones de combate.
El Viggen también inspiró al estadounidense Burt Rutan para crear un diseño de delta canard de dos plazas de fabricación casera, llamado VariViggen y que voló en 1972. Rutan abandonó entonces el ala delta por no ser adecuada para ese tipo de aviones ligeros. Sus dos siguientes diseños canard, el VariEze y el Long-EZ, tenían alas en flecha de mayor envergadura. Estos diseños no solo tuvieron éxito y se construyeron en grandes cantidades, sino que eran radicalmente diferentes de todo lo visto antes. [16] Las ideas de Rutan pronto se extendieron a otros diseñadores. A partir de la década de 1980 encontraron el favor 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 pérdida. [17] Esto limita su aplicabilidad. El desarrollo del control por cable y la estabilidad artificial hacia fines del siglo abrió el camino para que los controles computarizados comenzaran a convertir estos efectos complejos de problemas de estabilidad en ventajas de maniobrabilidad. [16]
Este enfoque dio lugar a una nueva generación de diseños militares con canards. El caza multifunción Dassault Rafale voló por primera vez en 1986, seguido por el Saab Gripen (el primero en entrar en servicio) en 1988 y el Eurofighter Typhoon en 1994. Estos tres tipos y los estudios de diseño relacionados se conocen a veces como eurocanards 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, la (in)estabilidad y el equilibrio de una aeronave, y también puede usarse para el control del vuelo.
Cuando la superficie del canard aporta sustentación, el peso del avión se reparte entre el ala y el canard. Se ha descrito como una configuración convencional extrema, pero con un ala pequeña y muy cargada y una cola sustentadora enorme que permite que el centro de masas esté muy alejado de la superficie delantera. [21]
Un canard de sustentación genera una elevación, en contraste con una cola de popa convencional que a veces genera una sustentación negativa que debe ser contrarrestada por una sustentación adicional en el ala principal. Como la sustentación del canard se suma a la capacidad de sustentación general de la aeronave, esto puede parecer que favorece el diseño canard. En particular, en el despegue, el ala está más cargada y donde una cola convencional ejerce una fuerza descendente que empeora la carga, un canard ejerce una fuerza ascendente que alivia la carga. Esto permite un ala principal más pequeña.
Sin embargo, el plano delantero también crea una corriente descendente que puede afectar la distribución de la sustentación del ala de manera favorable o desfavorable, 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 sustentación, el ala principal debe estar ubicada más atrás del centro de gravedad que en un ala convencional, lo que aumenta el momento de cabeceo hacia abajo causado por la desviación de sus flaps del borde de salida . [24]
El control del paso en un avión tipo canard se puede lograr mediante la superficie canard, como en el canard de control, o de la misma manera 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 control-canard, la mayor parte del peso de la aeronave es soportado por el ala y el canard se utiliza principalmente para el control del cabeceo durante las maniobras. Un control-canard puro opera únicamente como superficie de control y nominalmente está en un ángulo de ataque cero y no lleva carga en vuelo normal. Los aviones de combate modernos de configuración canard suelen tener un control-canard accionado por un sistema de control de vuelo computarizado . [24]
Los canards con poca o ninguna carga (es decir, canards de control) pueden usarse para desestabilizar intencionalmente algunos aviones de combate con el fin de hacerlos más maniobrables. El sistema de control de vuelo electrónico utiliza la función de control de cabeceo del plano delantero canard para crear estabilidad estática y dinámica artificial. [22] [23]
Una ventaja que se puede obtener de un canard de control es la corrección del cabeceo hacia arriba durante una pérdida de sustentación en la punta del ala. Se puede utilizar un canard completamente móvil capaz de una deflexión significativa hacia abajo para contrarrestar el cabeceo hacia arriba debido a la pérdida de sustentación en la punta. Como resultado, se puede optimizar la relación de aspecto y el barrido del ala sin tener que protegerse contra el cabeceo hacia arriba. [24] Un canard de sustentación altamente cargado no tiene suficiente capacidad de sustentación de reserva para proporcionar esta protección. [ cita requerida ] [25]
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Se puede utilizar un plano delantero canard como estabilizador horizontal , ya sea que la estabilidad se logre de forma estática [26] [27] [28] o artificial (fly-by-wire). [29]
Al estar situado por delante del centro de gravedad, un plano de cola 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 sustentación inestable. [31] En ese momento, los hermanos Wright creían que la inestabilidad era un requisito para que un avión fuera controlable. No sabían cómo hacer que un plano de cola fuera inestable, por lo que eligieron una superficie de control canard por este motivo.
Sin embargo, se puede añadir un estabilizador canard a un diseño que de otro modo sería inestable para obtener una estabilidad de cabeceo estática general. [32] Para lograr esta estabilidad, el cambio en el coeficiente de sustentación canard con el ángulo de ataque (pendiente del coeficiente de sustentación) debe ser menor que el del avión principal. [33] Una serie de factores afectan esta característica. [24] Por ejemplo, siete años después del primer vuelo de los Wright, el ASL Valkyrie adoptó la posición canard para hacer que el avión fuera estable y seguro.
En 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 de 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 delantero, 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 sustentación y posiblemente un ángulo de pérdida más alto que el del ala. [35]
Un enfoque de diseño utilizado por Burt Rutan es un canard de alta relación de aspecto con un coeficiente de sustentación más alto (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 es no lineal (casi plana) entre 14° y 24°. [36]
Otro parámetro de estabilización es el efecto de potencia. En el caso de una hélice propulsora con canard : "la limpieza del flujo inducida por la potencia del borde de salida del ala" [36] aumenta la pendiente del coeficiente de sustentación del ala (véase más arriba). Por el contrario, una hélice situada por delante del canard (que aumenta la pendiente de sustentación del canard) tiene un fuerte efecto desestabilizador. [37]
Un plano delantero con canard puede utilizarse para equilibrar un avión en cabeceo, al igual que un plano de cola. La fuerza de equilibrio en cabeceo también es una fuerza de sustentación y, cuanto mayor sea, mayor será la resistencia inducida asociada , conocida como resistencia de equilibrio . Sin embargo, mientras que una cola convencional normalmente empuja hacia abajo con una fuerza de equilibrio negativa que hace que el ala trabaje más, un canard empuja hacia arriba para que el ala trabaje menos. Esto en realidad reduce la resistencia neta, lo que resulta en una resistencia de equilibrio negativa. [2]
El uso de flaps de aterrizaje en el ala principal provoca un gran cambio de compensación, que debe compensarse. El Saab Viggen tiene flaps en su superficie de canard que pueden desplegarse simultáneamente con los flaps principales. El Beech Starship utiliza planos delanteros de barrido variable para compensar la posición de la fuerza de sustentación.
Cuando el ala principal está más cargada, en el despegue, para girar el morro hacia arriba, un estabilizador vertical convencional normalmente empuja hacia abajo mientras que el plano delantero se eleva. Por lo tanto, para mantener el equilibrio, el ala principal en un diseño canard debe ubicarse más a popa en relación con el centro de gravedad que en el diseño convencional equivalente.
Se ha demostrado que un canard acoplado de manera cerrada beneficia a un diseño de ala delta supersónica que gana sustentación tanto en vuelo transónico (como para supercrucero ) como también en vuelo a baja velocidad (como despegues y aterrizajes). [38]
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En el canard de ala delta acoplada cerrada, el plano delantero se encuentra justo por encima y por delante del ala. Los vórtices generados por un plano delantero en forma de delta fluyen hacia atrás pasando el ala principal e interactúan con sus propios vórtices. Debido a que estos son críticos para la sustentación, un plano delantero mal ubicado puede causar graves problemas. Al acercar el plano delantero al ala y justo por encima de ella en una disposición acoplada cerrada, las interacciones pueden resultar beneficiosas, ayudando también a resolver otros problemas. [14] Por ejemplo, en ángulos de ataque altos (y por lo tanto, típicamente a bajas velocidades) la superficie del canard dirige el flujo de aire hacia abajo sobre el ala, reduciendo la turbulencia, lo que resulta en una menor resistencia y un aumento de la sustentación. [39] Normalmente, el plano delantero crea un vórtice que se adhiere a la superficie superior del ala, estabilizando y reenergizando el flujo de aire sobre el ala y retrasando o evitando la pérdida de sustentación. [ cita requerida ] [40]
El plano delantero canard puede ser fijo como en el IAI Kfir , tener flaps de aterrizaje como en el Saab Viggen , o ser móvil y actuar también como un canard de control durante el vuelo normal como en el Dassault Rafale .
Un canard flotante gira de manera que toda la superficie puede rotar libremente para cambiar su ángulo de incidencia con respecto al fuselaje sin intervención del piloto. En vuelo normal, la distribución de la presión del aire mantiene su ángulo de ataque con respecto al flujo de aire y, por lo tanto, también el coeficiente de sustentación que genera, en una cantidad constante. Un mecanismo flotante puede aumentar la estabilidad estática y proporcionar una recuperación segura de evoluciones con un ángulo de ataque alto . [41] [42] El primer ascendedor Curtiss XP-55 inicialmente estaba equipado con un pequeño canard flotante que carecía de suficiente autoridad. Incluso en prototipos posteriores equipados con superficies más grandes, "la pérdida fue toda una experiencia". [43] Se pueden agregar superficies móviles secundarias al canard flotante, lo que permite que la intervención del piloto afecte la sustentación generada, proporcionando así control de cabeceo y/o ajuste de compensación.
El Beechcraft Starship tiene una superficie de canard de barrido variable. El barrido se varía en vuelo balanceando los planos delanteros hacia adelante para aumentar su efectividad y así compensar el efecto de cabeceo hacia abajo causado por los flaps de las alas cuando se despliegan. [44]
Un bigote es un plano delantero pequeño y de alta relación de aspecto que se despliega para vuelos de 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. Se vio por primera vez en el Dassault Milan y más tarde en el Tupolev Tu-144 . La NASA también ha investigado un equivalente de una pieza girado llamado canard estibable de forma conformable, [45] donde, cuando la superficie está estibada, un lado se mueve hacia atrás y el otro hacia adelante. [46]
El Rockwell B-1 Lancer tiene pequeñas aletas o álabes de canard a cada lado del fuselaje delantero que forman parte de un sistema de amortiguación activo que reduce el zarandeo aerodinámico durante el vuelo a alta velocidad y baja altitud. De lo contrario, ese zarandeo causaría fatiga a la tripulación y reduciría la vida útil del fuselaje durante vuelos prolongados. [47] [48]
Los aviones canard pueden tener características de sigilo potencialmente pobres debido a que presentan grandes superficies angulares que tienden a reflejar las señales de radar hacia adelante. [22] [ página necesaria ] [49] El Eurofighter Typhoon utiliza el control de software de sus canards para reducir su sección transversal de radar efectiva . [50] [51]
Sin embargo, los canards se han incorporado en algunos estudios posteriores de aviones furtivos, como una maqueta temprana del contendiente Joint Advanced Strike Technology (JAST) de Lockheed Martin [52] [53] y el prototipo de investigación McDonnell Douglas X-36 . [54] El caza de quinta generación Chengdu J-20 utiliza canards con la creencia de que ofrecen el equilibrio óptimo entre furtividad y aerodinámica. [55] Algunos se preguntan si esto compromete sus características furtivas. [56] [57] [58]
Los canards de Rutan provocaron un cambio en el pensamiento que podría tener una profunda influencia en el futuro..
{{citation}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ).En el primer avión de los hermanos Wright, el estabilizador horizontal estaba colocado delante de las alas.
...un estabilizador delantero, generalmente conocido como estabilizador canard…
El X-29... mientras que sus canards (estabilizadores horizontales para controlar el cabeceo) estaban delante de las alas en lugar de en la cola..
En consonancia con la ignorancia de la condición del momento neto (de cabeceo) cero, los Wright asumieron que en equilibrio el canard no soportaba ninguna carga y sólo servía como dispositivo de control.
...el Flyer era altamente 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 negativa de la corriente descendente en el ala principal que se opone a la entrada del momento de balanceo del canard.
{{cite web}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )paletas canard.
aletas canard para control de marcha.
