En aerodinámica supersónica , un arranque fallido se refiere a una ruptura generalmente violenta del flujo de aire supersónico. El fenómeno ocurre cuando la tasa de flujo másico cambia significativamente dentro de un conducto. Evitar arranques fallidos es un objetivo clave en el diseño de las entradas de aire de los motores de los 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 . El “arranque” del túnel de viento supersónico es el proceso en el que el aire se vuelve supersónico; el desarme del túnel de viento es el proceso inverso. [1] Las ondas de choque que se desarrollan durante el proceso de arranque o desarme pueden visualizarse 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 puede compararse con el de los túneles de viento supersónicos, y requiere un análisis cuidadoso para evitar que se desactiven. [2] A altas velocidades supersónicas (normalmente entre Mach 2 y 3), las tomas con compresión interna están diseñadas para tener un flujo supersónico aguas abajo del plano de captura de la toma de aire. Si el flujo de masa a través del plano de captura de la toma no coincide con el flujo de masa aguas abajo en el motor, la toma se desactivará. Esto puede provocar una pérdida de control violenta y temporal hasta que se vuelva a poner en marcha la toma. [3]
Pocas aeronaves, aunque muchos misiles propulsados por estatorreactores, han volado con tomas de aire que tienen una compresión supersónica dentro del conducto de admisión. Estas tomas de aire, conocidas como tomas de aire de compresión mixta, tienen ventajas para aeronaves que vuelan a Mach 2,2 y más. [4] La mayoría de las tomas de aire de aeronaves supersónicas comprimen el aire externamente, por lo que no arrancan y, por lo tanto, no tienen modo de desarranque. Las tomas de aire de compresión mixta tienen la compresión supersónica inicial externamente y el resto dentro del conducto. Como ejemplo, las tomas de aire del North American XB-70 Valkyrie tenían una relación de compresión externa (cr) en M3 de 3,5 y una cr interna de aproximadamente 6,6, [5] seguida de una difusión subsónica. El Lockheed SR-71 Blackbird y el XB-70 Valkyrie tenían un comportamiento de desarranque 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 la 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 amortiguación, no tenía modo de desconexión". [11] Aunque había cierta compresión interna terminada por un amortiguador 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 desconexión. [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 entradas fijas para reducir la complejidad, el peso y el costo. [15]
Trabajos realizados en los años 1940, por ejemplo por Oswatitsch, [16] demostraron que la compresión supersónica dentro de un conducto, conocido como difusor supersónico, se hace necesaria en M2-3 para aumentar la recuperación de presión sobre la que se puede obtener con 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 admisión no se inicia. Un mayor aumento de la velocidad produce velocidades supersónicas dentro del conducto con un choque plano cerca de la garganta. Se dice que la admisión se inicia. 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 sobretensiones), tienden a hacer que el choque se expulse casi instantáneamente. La expulsión del choque, conocida como un inicio, hace que toda la compresión supersónica tenga lugar externamente a través de un solo choque 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 demuestra 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 del control de la aeronave.
No debe confundirse con un arranque fallido, 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 inicio de la admisión, o en aeronaves con tomas de compresión externas, la sobrecarga del motor o el estancamiento del compresor pueden causar un golpe de martillo. Por encima de la velocidad de inicio de la admisión, los arranques fallidos pueden causar estancamientos dependiendo de la complejidad del diseño de los sistemas de admisión. [21] Los golpes de martillo han causado daños en las admisiones. Por ejemplo, el North American F-107 durante el vuelo a alta velocidad experimentó una sobrecarga del motor que dobló las rampas de admisión. El Concorde , durante las pruebas de vuelo de desarrollo, experimentó daños significativos en una góndola después de que ambos motores experimentaran una sobrecarga. [22]
Cuando se produjo un desarranque en el SR-71, una gran cantidad de resistencia de la góndola desarrancada provocó un balanceo/guiñada extremos. El avión tenía un procedimiento de reinicio automático que equilibraba la resistencia desarrancando la otra entrada de aire. Esta entrada de aire tenía su propia enorme cantidad de resistencia, con la punta completamente hacia adelante para capturar la onda de choque frente a la entrada de aire. [23]
Para desacelerar desde M3 se requirió una reducción del empuje que podía hacer que una entrada de aire se desactive debido a la reducción del flujo de aire del motor. El procedimiento de descenso del SR-71 utilizó flujos de derivación para dar margen para que se desactive la entrada de aire 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 ralentí seleccionado con el acelerador. Esto se conocía como "bloqueo de rpm" y el empuje se redujo aumentando el área de la tobera. La velocidad del compresor se mantuvo hasta que el avión redujo su velocidad a M1,5. [7]
Utilizando una definición más teórica, el desarranque es el fenómeno de estrangulamiento supersónico que ocurre en conductos con un flujo másico ascendente mayor que el flujo másico descendente. El flujo inestable se produce porque el desajuste en el flujo másico no puede propagarse gradualmente ascendentemente, a diferencia del flujo subsónico . En cambio, en el flujo supersónico, el desajuste se lleva hacia adelante detrás de una onda de choque "normal" o terminal que hace que el flujo de gas se vuelva subsónico abruptamente. La onda de choque normal resultante se propaga entonces ascendentemente a una velocidad acústica efectiva hasta que el desajuste del flujo alcanza el equilibrio.
Existen otras formas de conceptualizar el desarranque que pueden resultar útiles. El desarranque se puede considerar alternativamente en términos de una presión de estancamiento decreciente dentro de un conducto supersónico, en el que la presión de estancamiento aguas arriba es mayor que la presión de estancamiento aguas abajo. El desarranque 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 a la disminución del flujo de masa que define el desarranque. [24]
La reacción de estrangulamiento al arrancar da como resultado la formación de una onda de choque dentro del conducto.
En determinadas condiciones, la onda de choque que se encuentra frente a un conducto o dentro de él 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 momento o una capa límite tienden a ser inestables y a causar zumbido. Las condiciones de zumbido pueden causar fallas inducidas por dinámica estructural si no se incorporan márgenes adecuados en el diseño.