La vectorización de empuje , también conocida como control de vector de empuje ( TVC ), es la capacidad de una aeronave , cohete u otro vehículo para manipular la dirección del empuje de su (s) motor (es) para controlar la actitud o velocidad angular de el vehículo.
En los cohetes y misiles balísticos que vuelan fuera de la atmósfera, las superficies de control aerodinámico son ineficaces, por lo que la vectorización de empuje es el principal medio de control de actitud . Robert Goddard utilizó paletas de escape y motores con cardán en la década de 1930 .
Para las aeronaves, el método se concibió originalmente para proporcionar empuje vertical hacia arriba como un medio para darle a la aeronave capacidad de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ) o corto ( STOL ). Posteriormente, se descubrió que el uso de empuje vectorial en situaciones de combate permitía a los aviones realizar diversas maniobras que no estaban disponibles para los aviones con motores convencionales. Para realizar giros, las aeronaves que no utilizan vectorización de empuje deben depender únicamente de superficies de control aerodinámico, como alerones o profundidad ; Las aeronaves con vectorización aún deben usar superficies de control, pero en menor medida.
En la literatura sobre misiles procedente de fuentes rusas, [1] la vectorización de empuje a menudo se denomina dirección dinámica de gas o control dinámico de gas .
Nominalmente, la línea de acción del vector de empuje de la tobera de un cohete pasa por el centro de masa del vehículo , generando un par neto cero alrededor del centro de masa. Es posible generar momentos de cabeceo y guiñada desviando el vector de empuje principal del cohete para que no pase por el centro de masa. Debido a que la línea de acción generalmente está orientada casi paralela al eje de balanceo , el control de balanceo generalmente requiere el uso de dos o más boquillas con bisagras separadas o un sistema completamente separado, como aletas o paletas en la columna de escape del motor de cohete, desviando el empuje principal. El control del vector de empuje (TVC) sólo es posible cuando el sistema de propulsión genera empuje; Se requieren mecanismos separados para el control de actitud y trayectoria de vuelo durante otras etapas del vuelo.
La vectorización de empuje se puede lograr mediante cuatro medios básicos: [2] [3]
La vectorización del empuje en muchos cohetes líquidos se logra estabilizando todo el motor . Esto implica mover toda la cámara de combustión y la campana exterior del motor como en los motores gemelos de primera etapa del Titan II , o incluso todo el conjunto del motor, incluidas las bombas de combustible y oxidante relacionadas . El Saturn V y el transbordador espacial utilizaron motores con cardán. [2]
Un método posterior desarrollado para misiles balísticos de propulsor sólido logra la vectorización del empuje desviando sólo la boquilla del cohete mediante actuadores eléctricos o cilindros hidráulicos . La boquilla se fija al misil mediante una rótula con un orificio en el centro, o una junta flexible fabricada con un material térmicamente resistente, requiriendo generalmente este último mayor par y una mayor potencia del sistema de accionamiento. Los sistemas Trident C4 y D5 se controlan mediante una boquilla accionada hidráulicamente. Los STS SRB utilizaban boquillas con cardán. [4]
Otro método de vectorización de empuje utilizado en misiles balísticos de propulsor sólido es la inyección de líquido, en el que la boquilla del cohete está fija, pero se introduce un fluido en el flujo de escape desde inyectores montados alrededor del extremo trasero del misil. Si el líquido se inyecta solo en un lado del misil, modifica ese lado de la columna de escape, lo que da como resultado un empuje diferente en ese lado y una fuerza neta asimétrica sobre el misil. Este fue el sistema de control utilizado en el Minuteman II y los primeros SLBM de la Armada de los Estados Unidos .
Se puede producir un efecto similar a la vectorización de empuje con múltiples propulsores vernier , pequeñas cámaras de combustión auxiliares que carecen de sus propias turbobombas y pueden girar sobre un eje. Estos se utilizaron en los misiles Atlas y R-7 y todavía se utilizan en el cohete Soyuz , que desciende del R-7, pero rara vez se utilizan en nuevos diseños debido a su complejidad y peso. Se diferencian de los propulsores del sistema de control de reacción , que son motores de cohetes fijos e independientes que se utilizan para maniobrar en el espacio.
Uno de los primeros métodos de vectorización del empuje en los motores de cohetes fue colocar paletas en la corriente de escape del motor. Estas paletas de escape o paletas de chorro permiten desviar el empuje sin mover ninguna parte del motor, pero reducen la eficiencia del cohete. Tienen la ventaja de permitir el control del balanceo con un solo motor, algo que no ocurre con el cardán de boquilla. El V-2 utilizaba paletas de escape de grafito y paletas aerodinámicas, al igual que el Redstone , derivado del V-2. Los cohetes Sapphire y Nexo del grupo de aficionados Copenhagen Suborbitals son un ejemplo moderno de aspas de propulsión. Las paletas de los chorros deben estar hechas de un material refractario o enfriarse activamente para evitar que se derritan. Sapphire usó paletas de cobre sólido para la alta capacidad calorífica y conductividad térmica del cobre, y Nexo usó grafito para su alto punto de fusión, pero a menos que se enfríen activamente, las paletas del jet sufrirán una erosión significativa. Esto, combinado con la ineficiencia de las paletas de los reactores, impide en gran medida su uso en nuevos cohetes.
Algunos misiles tácticos atmosféricos de menor tamaño , como el AIM-9X Sidewinder , evitan las superficies de control de vuelo y en su lugar utilizan paletas mecánicas para desviar el escape del motor del cohete hacia un lado.
Al utilizar paletas mecánicas para desviar el escape del motor del cohete del misil, un misil puede dirigirse solo incluso poco después de ser lanzado (cuando el misil se mueve lentamente, antes de haber alcanzado una velocidad alta). Esto se debe a que, aunque el misil se mueve a baja velocidad, el escape del motor del cohete tiene una velocidad lo suficientemente alta como para proporcionar fuerzas suficientes sobre las paletas mecánicas. Por tanto, la vectorización de empuje puede reducir el alcance mínimo de un misil. Por ejemplo, los misiles antitanque como el Eryx y el PARS 3 LR utilizan vectorización de empuje por este motivo. [5]
Algunos otros proyectiles que utilizan vectorización de empuje:
La mayoría de los aviones de empuje vectorial actualmente operativos utilizan turbofanes con boquillas o paletas giratorias para desviar el flujo de escape. Este método permite que los diseños desvíen el empuje hasta 90 grados con respecto a la línea central de la aeronave. Si una aeronave utiliza vectorización de empuje para operaciones VTOL, el motor debe dimensionarse para sustentación vertical, en lugar de vuelo normal, lo que resulta en una penalización de peso. La postcombustión (o combustión de cámara plenum, PCB, en la corriente de derivación) es difícil de incorporar y no es práctica para la vectorización del empuje de despegue y aterrizaje, porque los gases de escape muy calientes pueden dañar las superficies de la pista. Sin postcombustión es difícil alcanzar velocidades de vuelo supersónicas. Un motor PCB, el Bristol Siddeley BS100 , fue cancelado en 1965.
"Empuje vectorial de aviones de rotor basculante a través de góndolas de motores turbohélice giratorios ". Las complejidades mecánicas de este diseño son bastante problemáticas, incluida la torsión de componentes internos flexibles y la transferencia de potencia del eje de transmisión entre motores. La mayoría de los diseños actuales de rotores basculantes cuentan con dos rotores en una configuración de lado a lado. Si una nave de este tipo vuela de manera que entre en un estado de anillo de vórtice , uno de los rotores siempre entrará ligeramente antes que el otro, lo que provocará que la aeronave realice un giro drástico y no planificado.
La vectorización de empuje también se utiliza como mecanismo de control para dirigibles . Una de las primeras aplicaciones fue el dirigible Delta del ejército británico , que voló por primera vez en 1912. [12] Posteriormente se utilizó en el HMA (His Majesty's Airship) No. 9r , un dirigible rígido británico que voló por primera vez en 1916 [13] y en los gemelos de la década de 1930. Los dirigibles rígidos USS Akron y USS Macon de la era de la Armada de los EE. UU. Que se utilizaron como portaaviones aerotransportados , y una forma similar de vectorización de empuje también es particularmente valiosa hoy en día para el control de dirigibles no rígidos modernos . En este uso, la mayor parte de la carga suele estar soportada por la flotabilidad y se utiliza empuje vectorial para controlar el movimiento de la aeronave. El primer dirigible que utilizó un sistema de control basado en aire presurizado fue el Omnia Dir de Enrico Forlanini en los años 1930.
En 1949, Percy Walwyn presentó al Ministerio del Aire británico un diseño para un avión que incorporaba vectorización de empuje; Los dibujos de Walwyn se conservan en la Biblioteca Nacional Aeroespacial de Farnborough. [14] El interés oficial se vio reducido cuando se supo que el diseñador era un paciente en un hospital psiquiátrico. [ cita necesaria ]
Actualmente en investigación, la vectorización de empuje fluido (FTV) desvía el empuje mediante inyecciones de fluidos secundarias . [15] Las pruebas muestran que el aire introducido en la corriente de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados. Estas boquillas son deseables por su menor masa y costo (hasta un 50% menos), inercia (para una respuesta de control más rápida y fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos o ninguna pieza o superficie móvil, menos mantenimiento) y sección transversal de radar para sigilo . Es probable que esto se utilice en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de combate de sexta generación .
El control de vuelo con vectorización de empuje (TVFC) se obtiene mediante la desviación de los propulsores del avión en algunas o todas las direcciones de cabeceo, guiñada y balanceo. En casos extremos, la deflexión de los chorros en guiñada, cabeceo y balanceo crea fuerzas y momentos deseados que permiten un control direccional completo de la trayectoria de vuelo de la aeronave sin la implementación de controles de vuelo aerodinámicos convencionales (CAFC). TVFC también se puede utilizar para mantener vuelos estacionarios en áreas de la envolvente de vuelo donde las principales superficies aerodinámicas están en pérdida. [16] TVFC incluye el control de aviones STOVL durante el vuelo estacionario y durante la transición entre velocidades de vuelo estacionario y avance por debajo de 50 nudos, donde las superficies aerodinámicas son ineficaces. [17]
Cuando el control de empuje vectorial utiliza un único chorro propulsor, como ocurre con un avión monomotor, la capacidad de producir momentos de rodadura puede no ser posible. Un ejemplo es una boquilla supersónica de postcombustión cuyas funciones son área de garganta, área de salida, vectorización de cabeceo y vectorización de guiñada. Estas funciones están controladas por cuatro actuadores separados. [16] Una variante más simple que utiliza solo tres actuadores no tendría control independiente del área de salida. [dieciséis]
Cuando se implementa TVFC para complementar CAFC, se maximiza la agilidad y seguridad de la aeronave. Es posible que se produzca una mayor seguridad en caso de que el CAFC funcione mal como resultado de daños en la batalla. [dieciséis]
Para implementar TVFC se pueden aplicar una variedad de boquillas tanto mecánicas como fluídicas. Esto incluye toberas convergentes y convergentes-divergentes que pueden ser fijas o geométricamente variables. También incluye mecanismos variables dentro de una boquilla fija, como cascadas giratorias [18] y paletas de salida giratorias. [19] Dentro de estas toberas de aviones, la geometría en sí puede variar desde bidimensional (2-D) hasta axisimétrica o elíptica. El número de boquillas en una aeronave determinada para lograr TVFC puede variar desde una en una aeronave CTOL hasta un mínimo de cuatro en el caso de una aeronave STOVL. [17]
Un ejemplo de vectorización de empuje 2D es el motor Rolls-Royce Pegasus utilizado en el Hawker Siddeley Harrier , así como en la variante AV-8B Harrier II .
El uso generalizado de la vectorización de empuje para mejorar la maniobrabilidad en los aviones de combate de modelos de producción occidentales no se produjo hasta el despliegue del caza a reacción de quinta generación Lockheed Martin F-22 Raptor en 2005, con su Pratt & Whitney F119 de postcombustión y vectorización de empuje 2D. turboventilador . [24]
Mientras que el Lockheed Martin F-35 Lightning II utiliza un turbofan convencional de postcombustión (Pratt & Whitney F135) para facilitar la operación supersónica, su variante F-35B, desarrollada para uso conjunto por el Cuerpo de Marines de EE. UU . , la Royal Air Force , la Royal Navy y la Marina italiana. Navy , también incorpora un ventilador remoto de baja presión, montado verticalmente y accionado por eje, que se acciona a través de un embrague durante el aterrizaje desde el motor. Tanto el escape de este ventilador como el ventilador del motor principal son desviados por boquillas de vectorización de empuje, para proporcionar la combinación adecuada de sustentación y empuje propulsor. No está concebido para mejorar la maniobrabilidad en combate, sólo para operaciones VTOL , y el F-35A y el F-35C no utilizan vectorización de empuje en absoluto.
El Sukhoi Su-30MKI , producido por la India bajo licencia de Hindustan Aeronautics Limited , está en servicio activo en la Fuerza Aérea de la India . El TVC hace que el avión sea altamente maniobrable, capaz de alcanzar una velocidad cercana a cero en ángulos de ataque altos sin entrar en pérdida y realizar acrobacias aéreas dinámicas a bajas velocidades. El Su-30MKI está propulsado por dos turbofanes de postcombustión Al-31FP . Las boquillas TVC del MKI están montadas 32 grados hacia afuera con respecto al eje longitudinal del motor (es decir, en el plano horizontal) y pueden desviarse ±15 grados en el plano vertical. Esto produce un efecto de sacacorchos , que mejora enormemente la capacidad de giro del avión. [25]
Algunos estudios computarizados añaden vectorización de empuje a los aviones de pasajeros existentes, como el Boeing 727 y el 747, para evitar fallas catastróficas, mientras que el X-48C experimental podría ser pilotado a reacción en el futuro. [26]
Ejemplos de cohetes y misiles que utilizan vectorización de empuje incluyen sistemas grandes como el cohete propulsor sólido (SRB) del transbordador espacial, el misil tierra-aire S-300P (SA-10) , el misil balístico nuclear UGM-27 Polaris y el RT- 23 (SS-24) y armas de campo de batalla más pequeñas como Swingfire .
Los principios de la vectorización del empuje aéreo se han adaptado recientemente a aplicaciones militares en el mar en forma de dirección rápida por chorro de agua que proporciona superagilidad. Algunos ejemplos son el barco patrullero rápido Dvora Mk-III , el barco misilístico clase Hamina y los barcos de combate litorales de la Marina de los EE. UU . [26]
La vectorización de empuje puede transmitir dos beneficios principales: VTOL/STOL y una mayor maniobrabilidad. Los aviones suelen optimizarse para aprovechar al máximo un beneficio, aunque ganarán el otro.
8. Wilson, Erich A., "Introducción a las boquillas de aviones con vector de empuje", ISBN 978-3-659-41265-3
Medios relacionados con la vectorización de empuje en Wikimedia Commons