Los flaps soplados o flaps de jet son dispositivos aerodinámicos de gran sustentación propulsados que se utilizan en las alas de ciertos aviones para mejorar sus características de vuelo a baja velocidad. Utilizan aire soplado a través de boquillas para dar forma al flujo de aire sobre el borde trasero del ala, dirigiendo el flujo hacia abajo para aumentar el coeficiente de sustentación . Hay una variedad de métodos para lograr este flujo de aire, la mayoría de los cuales utilizan escape de chorro o aire a alta presión purgado del compresor de un motor a reacción y luego redirigido para seguir la línea de flaps del borde de salida .
Los flaps soplados pueden referirse específicamente a aquellos sistemas que utilizan conductos internos dentro del ala para dirigir el flujo de aire, o más ampliamente a sistemas como el soplado de la superficie superior o sistemas de boquillas en motores convencionales debajo del ala que dirigen el aire a través de los flaps. Los flaps soplados son una solución dentro de una categoría más amplia conocida como elevación motorizada , que también incluye varios sistemas de control de capa límite , sistemas que utilizan lavado de hélice dirigido y alas de control de circulación .
Los flaps internos soplados se utilizaron en algunos aviones rápidos terrestres y basados en portaaviones en la década de 1960, incluidos el Lockheed F-104 , el Blackburn Buccaneer y ciertas versiones del Mikoyan-Gurevich MiG-21 . En general, cayeron en desgracia porque imponían una importante sobrecarga de mantenimiento para mantener los conductos limpios y varios sistemas de válvulas funcionando correctamente, junto con la desventaja de que una falla del motor reducía la elevación precisamente en la situación en la que más se desea. El concepto reapareció en forma de soplado superior e inferior en varios aviones de transporte , tanto turbohélice como turbofan.
En un flap soplado convencional, una pequeña cantidad del aire comprimido producido por el motor a reacción se "purga" en la etapa del compresor y se conduce a canales que recorren la parte trasera del ala. Allí, cuando los flaps alcanzan determinados ángulos, pasa a través de las ranuras de los flaps de las alas del avión. La inyección de aire de alta energía en la capa límite produce un aumento en el ángulo de ataque de pérdida y el coeficiente de sustentación máximo al retrasar la separación de la capa límite del perfil aerodinámico . El control de la capa límite mediante inyección masiva (soplado) evita la separación de la capa límite al suministrar energía adicional a las partículas de fluido que se retardan en la capa límite . Por lo tanto, inyectar una masa de aire de alta velocidad en la corriente de aire esencialmente tangente a la superficie de la pared del perfil aerodinámico invierte la desaceleración por fricción de la capa límite; por tanto, se retrasa la separación de la capa límite. [1]
La sustentación de un ala se puede aumentar considerablemente con el control del flujo de soplado . Con ranuras mecánicas, la capa límite natural limita la presión de control de la capa límite a la altura total de la corriente libre. [2] Soplar con una pequeña proporción del flujo de aire del motor (aleta interna soplada) aumenta la sustentación. El uso de cantidades mucho mayores de gas procedente del escape del motor, lo que aumenta la cuerda efectiva del flap (el flap del jet), produce una supercirculación [3] o circulación forzada [4] hasta el máximo de flujo potencial teórico. [3] Superar este límite requiere la adición de empuje directo. [4]
El desarrollo del concepto general continuó en la NASA en las décadas de 1950 y 1960, dando lugar a sistemas simplificados con rendimiento similar. El flap soplado externamente organiza el motor para que sople a través de los flaps en la parte trasera del ala. Parte del escape del jet es desviado hacia abajo directamente por la trampilla, mientras que el aire adicional viaja a través de las ranuras de la trampilla y sigue el borde exterior debido al efecto Coandă . El sistema de soplado similar en la superficie superior organiza los motores sobre el ala y se basa completamente en el efecto Coandă para redirigir el flujo de aire. Aunque no son tan eficaces como el soplado directo, estos sistemas de "elevación motorizada" son bastante potentes y mucho más sencillos de construir y mantener.
Un concepto de control de flujo de tipo soplado más reciente y prometedor es la inyección de fluido en contraflujo, que puede ejercer un control de alta autoridad sobre los flujos globales mediante modificaciones de baja energía en regiones clave de flujo. En este caso, la ranura de soplado de aire está situada en el lado de presión cerca de la ubicación del punto de estancamiento del borde de ataque y el flujo de aire de control se dirige tangencialmente a la superficie pero con una dirección hacia adelante. Durante el funcionamiento de un sistema de control de flujo de este tipo se producen dos efectos diferentes. Un efecto, la mejora de la capa límite, es causado por el aumento de los niveles de turbulencia lejos de la región de la pared, transportando así un flujo externo de mayor energía hacia la región de la pared. Además de eso, se utiliza otro efecto, el efecto de modelado virtual, para engrosar aerodinámicamente el perfil aerodinámico en ángulos de ataque elevados . Ambos efectos ayudan a retrasar o eliminar la separación del flujo . [5]
En general, los flaps soplados pueden mejorar la sustentación de un ala entre dos y tres veces. Mientras que un complejo sistema de flaps de triple ranura en un Boeing 747 produce un coeficiente de sustentación de aproximadamente 2,45, [6] el soplado externo (soplado de la superficie superior en un Boeing YC-14 ) mejora este coeficiente a aproximadamente 7, [6] y el soplado interno ( solapa de chorro en Hunting H.126 ) a 9. [7]
Williams [8] afirma que se realizaron algunas pruebas de soplado de flaps en el Royal Aircraft Establishment antes de la Segunda Guerra Mundial, y que se realizaron extensas pruebas durante la guerra en Alemania, incluidas pruebas de vuelo con aviones Arado Ar 232 , Dornier Do 24 y Messerschmitt Bf 109 . Lachmann [9] afirma que los aviones Arado y Dornier utilizaban un único flujo de aire impulsado por un eyector que era aspirado sobre parte del tramo del borde de salida y soplado sobre el resto. El eyector funcionaba químicamente utilizando vapor a alta presión. El Bf 109 utilizaba sopladores de motor para soplar las trampillas.
Rebuffet y Poisson-Quinton [10] describen pruebas realizadas en Francia en ONERA . después de la guerra con succión combinada a la izquierda de la primera sección de la aleta y soplado en la segunda sección de la aleta usando un eyector de purga del compresor del motor a reacción para dar succión y soplado. Las pruebas de vuelo se realizaron en un avión Breguet Vultur . [11]
WH Paine también realizó pruebas en Westland Aircraft después de la guerra con informes fechados en 1950 y 1951. [8]
En los Estados Unidos, se modificó un Grumman F9F Panther con soplado de aletas según el trabajo realizado por John Attinello en 1951. Se utilizó purga del compresor del motor. El sistema se conocía como "Control de capa límite de supercirculación" o, para abreviar, BLC. [12]
Entre 1951 y 1955, Cessna realizó pruebas de soplado de flaps en aviones Cessna 309 y 319 utilizando el sistema Arado. [13]
Durante las décadas de 1950 y 1960, los aviones de combate generalmente evolucionaron hacia alas más pequeñas para reducir la resistencia a altas velocidades. En comparación con los cazas de una generación anterior, tenían cargas alares aproximadamente cuatro veces mayores; por ejemplo, el Supermarine Spitfire tenía una carga alar de 24 lb/ft 2 (117 kg/m 2 ) y el Messerschmitt Bf 109 tenía una carga "muy alta" de 30 lb/ft 2 (146 kg/m 2 ) , mientras que el El Lockheed F-104 Starfighter de la década de 1950 tenía 111 lb/pie 2 (542 kg/m 2 ) .
Una desventaja grave de estas cargas alar más altas es la baja velocidad, cuando no queda suficiente ala para proporcionar sustentación y mantener el avión en vuelo. Incluso los flaps enormes no pudieron compensar esto en gran medida y, como resultado, muchos aviones aterrizaron a velocidades bastante altas y, como resultado, se observaron accidentes.
La principal razón por la que los flaps no fueron efectivos es que el flujo de aire sobre el ala sólo podía "doblarse mucho" antes de dejar de seguir el perfil del ala, una condición conocida como separación del flujo . Existe un límite en la cantidad de aire que las aletas pueden desviar en total. Hay maneras de mejorar esto, a través de un mejor diseño de solapas; Los aviones modernos utilizan, por ejemplo, complejos flaps de varias piezas. Sin embargo, los flaps grandes tienden a añadir una complejidad considerable y ocupan espacio en el exterior del ala, lo que los hace inadecuados para su uso en un caza.
El principio del jet flap, un tipo de flap de soplado interno, fue propuesto y patentado en 1952 por el British National Gas Turbine Establishment (NGTE) y posteriormente investigado por el NGTE y el Royal Aircraft Establishment. [14] El concepto se probó por primera vez a escala real en el caza experimental H.126. Redujo la velocidad de pérdida a sólo 51 km/h (32 mph), un número que la mayoría de los aviones ligeros no pueden igualar. El flap de chorro utilizaba un gran porcentaje del escape del motor, en lugar del aire purgado del compresor, para soplar. [15]
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Uno de los primeros aviones de producción con flaps reventados fue el Lockheed F-104 Starfighter, que entró en servicio en enero de 1958. [16] Después de prolongados problemas de desarrollo, el BLCS demostró ser enormemente útil para compensar la pequeña superficie del ala del Starfighter. El Lockheed T2V SeaStar , con flaps rotos, había entrado en servicio en mayo de 1957 pero iba a tener problemas persistentes de mantenimiento con el BLCS que llevaron a su retirada anticipada. [17] En junio de 1958 entró en servicio el Supermarine Scimitar con los flaps reventados. [18] Se utilizaron flaps soplados en el North American Aviation A-5 Vigilante , las variantes E(FN) y J del Vought F-8 Crusader , el McDonnell Douglas F-4 Phantom II y el Blackburn Buccaneer . Los Mikoyan-Gurevich MiG-21 y Mikoyan-Gurevich MiG-23 tenían flaps reventados. Petrov [19] afirma que el funcionamiento a largo plazo de estos aviones demostró una alta fiabilidad de los sistemas BLC. El TSR-2 , que fue cancelado antes de entrar en servicio, tenía flaps reventados en toda su extensión. [20]
A partir de la década de 1970, las lecciones del combate aéreo sobre Vietnam cambiaron considerablemente la forma de pensar. En lugar de aviones diseñados para una velocidad absoluta, la maniobrabilidad general y la capacidad de carga se volvieron más importantes en la mayoría de los diseños. El resultado es una evolución hacia formas en planta más grandes para proporcionar más sustentación. Por ejemplo, el General Dynamics F-16 Fighting Falcon tiene una carga alar de 78,5 lb/ft 2 (383 kg/m 2 ) y utiliza extensiones de borde de ataque para proporcionar considerablemente más sustentación en ángulos de ataque más altos , incluyendo aproximación y aterrizaje. Algunos aviones de combate posteriores lograron las características requeridas de baja velocidad utilizando alas oscilantes . El soplado de flaps internos todavía se utiliza para complementar los flaps soplados externamente en el Shin Meiwa US-1A .
Algunas aeronaves actualmente (2015) en servicio que requieren una actuación STOL utilizan el soplado de flaps externo y, en algunos casos, también utilizan el soplado de flaps interno en los flaps, así como en las superficies de control, como el timón, para garantizar un control y una estabilidad adecuados a bajas velocidades. Los conceptos de soplado externo se conocen como [15] "flap soplado externamente" (usado en el Boeing C-17 Globemaster ), "soplado de la superficie superior" (usado en el Antonov An-72 y Antonov An-74 ) y "rebufo vectorizado". , o "soplando sobre el ala", [19] utilizado en el Antonov An-70 y el Shin Meiwa US-1A y el ShinMaywa US-2 .
Los sistemas propulsados de gran sustentación, como los flaps soplados externamente, no se utilizan en aviones de transporte civil por las razones expuestas por Reckzeh, [21] que incluyen complejidad, peso, coste, longitud suficiente de las pistas existentes y normas de certificación.
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