La supermaniobrabilidad es la capacidad de los aviones de combate de ejecutar maniobras tácticas que no son posibles con técnicas puramente aerodinámicas. Dichas maniobras pueden implicar deslizamientos laterales controlados o ángulos de ataque superiores a la sustentación máxima. [1]
Esta capacidad se comenzó a investigar en 1975 en el Centro de Investigación Langley de Estados Unidos y finalmente dio como resultado el desarrollo del McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD como avión de prueba de concepto. El Saab 35 Draken fue otro de los primeros aviones con capacidades de supermaniobrabilidad limitadas.
En 1983, el MiG-29 y en 1986, el Sukhoi Su-27 se desplegaron con esta capacidad, que desde entonces se ha convertido en estándar en todos los aviones rusos de cuarta y quinta generación. Ha habido cierta especulación, pero el mecanismo detrás de la supermaniobrabilidad de los aviones de fabricación rusa no se ha revelado públicamente. Sin embargo, los análisis posteriores a la pérdida de sustentación se han utilizado cada vez más en los últimos años para mejorar la maniobrabilidad mediante el uso de toberas de motor con vectorización de empuje . [2]
El énfasis ruso en la supermaniobrabilidad a baja velocidad y a corta distancia va en contra de la teoría occidental de la energía y la maniobrabilidad , que favorece la retención de la energía cinética para obtener una gama cada vez mejor de opciones de maniobra cuanto más dura un enfrentamiento. [3] La USAF abandonó el concepto por considerarlo contraproducente para los enfrentamientos BVR , ya que la maniobra Cobra deja al avión en un estado de energía cercana a cero, habiendo perdido la mayor parte de su velocidad sin ganar altitud compensatoria en el proceso. Excepto en enfrentamientos uno contra uno, esto deja al avión muy vulnerable tanto al ataque con misiles como con cañones de un compañero de ala u otro hostil, incluso si la amenaza inicial sobrepasa al avión supermaniobrado.
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Las maniobras tradicionales de los aviones se realizan alterando el flujo de aire que pasa sobre las superficies de control del avión ( alerones , elevadores , flaps , frenos de aire y timón de dirección) . Algunas de estas superficies de control se pueden combinar (como en los "timónes de dirección" de una configuración de cola en V ), pero las propiedades básicas no se ven afectadas. Cuando se mueve una superficie de control para presentar un ángulo con el flujo de aire que se aproxima, se altera el flujo de aire alrededor de la superficie, cambiando su distribución de presión y, por lo tanto, aplicando un momento de cabeceo, balanceo o guiñada al avión.
El ángulo de deflexión de la superficie de control y la fuerza direccional resultante sobre la aeronave son controlados tanto por el piloto como por los sistemas de control incorporados a la aeronave para mantener la actitud deseada , como el cabeceo, el alabeo y el rumbo, y también para realizar maniobras acrobáticas que cambian rápidamente la actitud de la aeronave. Para mantener el control de maniobras tradicionales, la aeronave debe mantener una velocidad de avance suficiente y un ángulo de ataque lo suficientemente bajo para proporcionar un flujo de aire sobre las alas (manteniendo la sustentación) y también sobre sus superficies de control.
A medida que disminuye el flujo de aire, también disminuye la eficacia de las superficies de control y, por lo tanto, la maniobrabilidad. Si el ángulo de ataque supera su valor crítico, el avión entrará en pérdida . Los pilotos están entrenados para evitar pérdidas durante las maniobras acrobáticas y, especialmente, en combate, ya que una pérdida puede permitir que un oponente obtenga una posición ventajosa mientras el piloto del avión en pérdida intenta recuperarse.
La velocidad a la que un avión es capaz de alcanzar su máxima maniobrabilidad aerodinámica se conoce como velocidad de giro ; a una velocidad mayor, las superficies de control no pueden funcionar con el máximo efecto debido a las tensiones de la estructura del avión o a la inestabilidad inducida por el flujo de aire turbulento sobre la superficie de control. A velocidades más bajas, la redirección del aire sobre las superficies de control, y por lo tanto la fuerza aplicada para maniobrar el avión, se reduce por debajo de la capacidad máxima de la estructura del avión y, por lo tanto, el avión no girará a su velocidad máxima. Por lo tanto, es deseable en las maniobras acrobáticas mantener la velocidad de giro.
En una aeronave supermaniobrable, el piloto puede mantener un alto grado de maniobrabilidad por debajo de la velocidad de giro y al menos un control de altitud limitado sin pérdida de altitud por debajo de la velocidad de pérdida. Una aeronave de este tipo es capaz de realizar maniobras que son imposibles con un diseño puramente aerodinámico. Más recientemente, el uso creciente de vehículos no tripulados con propulsión a chorro e instrumentados ("drones de investigación") ha aumentado el ángulo de ataque potencial de vuelo más allá de los 90 grados y hasta bien dentro de los dominios de vuelo seguro posteriores a la pérdida, y también ha reemplazado algunos de los usos tradicionales de los túneles de viento. [2]
No existe un conjunto estricto de pautas que deba cumplir un avión ni de características que deba tener para ser clasificado como supermaniobrable. Sin embargo, tal como se define la supermaniobrabilidad en sí, la capacidad de un avión para realizar maniobras de alto alfa que son imposibles para la mayoría de los aviones es una prueba de la supermaniobrabilidad del avión. Entre estas maniobras se incluyen la Cobra de Pugachev y la maniobra de Herbst (también conocida como "giro en J").
Algunos aviones son capaces de realizar la maniobra Cobra de Pugachev sin la ayuda de características que normalmente proporcionan maniobras posteriores a la pérdida, como la vectorización de empuje . Se ha documentado que los cazas avanzados de cuarta generación, como el Su-27 , el MiG-29 junto con sus variantes, son capaces de realizar esta maniobra utilizando motores normales sin vectorización de empuje. La capacidad de estos aviones para realizar esta maniobra se basa en una inestabilidad inherente como la del F -16 ; las familias de aviones a reacción MiG-29 y Su-27 están diseñadas para un comportamiento deseable después de la pérdida . Por lo tanto, al realizar una maniobra como la Cobra de Pugachev, el avión entrará en pérdida a medida que el morro se inclina hacia arriba y el flujo de aire sobre el ala se separa, pero naturalmente el morro hacia abajo incluso desde una posición parcialmente invertida, lo que permite al piloto recuperar el control total.
El Cobra, tal como lo realizan los aviones sin vectorización de empuje, aún depende del movimiento del avión a través del aire; sin embargo, no involucra las superficies aerodinámicas del avión ni el flujo de aire laminar normal, sino más bien todo el fuselaje como una forma sólida que se desplaza a través del aire y su centro de gravedad en relación con el vector de empuje. Al realizarse en condiciones que van mucho más allá del control aerodinámico normal y hasta bien entrada la pérdida de sustentación sin vectorización de empuje, se trata de una forma de supermaniobrabilidad pasiva, posible gracias al diseño del avión en lugar de a la vectorización de empuje, que proporciona una forma de controlar activamente el avión mucho más allá de la envolvente de vuelo normal.
Sin embargo, se cree que la maniobra Herbst es imposible sin vectorización del empuje , ya que el "giro en J" requiere un medio giro además del cabeceo mientras el avión está en pérdida, lo que es imposible utilizando superficies de control convencionales. La maniobra Cobra de Pugachev se puede realizar con menos cambios de altitud si se utiliza empuje vectorial, ya que se puede hacer que el avión cabecee mucho más rápidamente, induciendo la pérdida antes de que el avión gane altitud significativamente y recuperando la actitud nivelada antes de perder altitud.
Aunque, como se mencionó anteriormente, no existe un conjunto fijo de características que defina explícitamente una aeronave supermaniobrable, prácticamente todas las aeronaves consideradas supermaniobrables tienen una mayoría de características comunes que ayudan en la maniobrabilidad y el control de pérdida.
El combate aéreo clásico comienza a gran velocidad, pero si fallas el primer disparo (y la probabilidad existe porque hay maniobras para evitar los misiles), el combate será más prolongado. Después de la maniobra, los aviones irán a menor velocidad, pero ambos pueden estar en una posición en la que no puedan disparar. Pero la supermaniobrabilidad permite a un avión girar en tres segundos y realizar otro disparo. [4]
— Sergey Bogdan, piloto jefe de pruebas de Sukhoi
La diferencia clave entre un caza puramente aerodinámico y uno supermaniobrable se encuentra generalmente en sus características post pérdida . Una pérdida, como se mencionó anteriormente, ocurre cuando el flujo de aire sobre la parte superior del ala se separa debido a un ángulo de ataque alto (esto puede ser causado por baja velocidad, pero su causa directa se basa en la dirección del flujo de aire que entra en contacto con el ala); el perfil aerodinámico pierde entonces su principal fuente de sustentación y no sostendrá el avión hasta que se restablezca el flujo de aire normal sobre la parte superior del ala.
El comportamiento del avión en pérdida es donde se puede observar la principal diferencia entre maniobrabilidad aerodinámica y supermaniobrabilidad. En pérdida, las superficies de control tradicionales, especialmente los alerones, tienen poca o ninguna capacidad para cambiar la actitud del avión. La mayoría de los aviones están diseñados para ser estables y fácilmente recuperables en una situación de este tipo; el avión inclinará el morro hacia abajo de modo que el ángulo de ataque de las alas se reduzca para coincidir con la dirección actual del avión (conocida técnicamente como vector de velocidad), restaurando el flujo de aire normal sobre las alas y las superficies de control y permitiendo un vuelo controlado. [5]
Sin embargo, algunas aeronaves pueden entrar en pérdida profunda . El diseño de la aeronave inhibirá o impedirá una reducción en el ángulo de ataque para restablecer el flujo de aire. El F-16 tiene este defecto, debido en parte a sus controles fly-by-wire, que bajo ciertas circunstancias limitan la capacidad del piloto para apuntar el morro de la aeronave hacia abajo para reducir el ángulo de ataque y recuperarse. [6] Ni un cabeceo extremo ni una pérdida profunda son deseables en una aeronave supermaniobrable.
Un avión supermaniobrable permite al piloto mantener al menos algo de control cuando el avión entra en pérdida y recuperar rápidamente el control total. Esto se logra en gran medida diseñando un avión que sea altamente maniobrable, pero que no entre en pérdida profunda (lo que permite una recuperación rápida por parte del piloto) y que se recupere de manera predecible y favorable (idealmente en vuelo nivelado; más realistamente en una actitud de morro abajo lo más suave posible). A ese diseño se le agregan características que permiten al piloto controlar activamente el avión mientras está en pérdida y mantener o recuperar el vuelo nivelado hacia adelante en una banda de altitud extremadamente baja que supera las capacidades de maniobra aerodinámica pura.
Una característica clave de los cazas supermaniobrables es una alta relación empuje-peso; es decir, la comparación de la fuerza producida por los motores con el peso del avión, que es la fuerza de gravedad sobre el avión. En general, es deseable en cualquier avión acrobático, ya que una alta relación empuje-peso permite que el avión recupere velocidad rápidamente después de una maniobra de alta gravedad. En particular, una relación empuje-peso mayor de 1:1 es un umbral crítico, ya que permite que el avión mantenga e incluso gane velocidad en una actitud de morro arriba; tal ascenso se basa en la potencia pura del motor, sin ninguna sustentación proporcionada por las alas para contrarrestar la gravedad, y se ha vuelto crucial para las maniobras acrobáticas en vertical (que a su vez son esenciales para el combate aéreo).
Una alta relación empuje-peso es esencial para los cazas con supermaniobras porque no solo evita muchas situaciones en las que un avión puede entrar en pérdida (como durante las maniobras de ascenso vertical), sino que cuando el avión entra en pérdida, la alta relación empuje-peso permite al piloto aumentar drásticamente la velocidad de avance incluso cuando el avión se inclina hacia abajo; esto reduce el ángulo en el que el morro debe inclinarse hacia abajo para cumplir con el vector de velocidad, recuperándose así más rápidamente de la pérdida. Esto permite controlar las pérdidas; el piloto hará que el avión entre en pérdida intencionalmente con una maniobra difícil, para luego recuperarse rápidamente con la alta potencia del motor.
A partir de finales de la cuarta generación y durante la generación 4.5 de desarrollo de aeronaves, los avances en la eficiencia y la potencia de los motores permitieron que muchos cazas se acercaran y superaran relaciones empuje-peso de 1:1. La mayoría de los cazas de quinta generación actuales y planificados superarán este umbral.
Aunque la verdadera supermaniobrabilidad está fuera del ámbito de lo que es posible con el control aerodinámico puro, las tecnologías que llevan a los aviones a la capacidad de supermaniobrabilidad se basan en lo que de otro modo sería un diseño controlado aerodinámicamente convencional. Por lo tanto, un diseño que sea altamente maniobrable mediante la aerodinámica tradicional es una base necesaria para un caza supermaniobrable.
Características como grandes superficies de control que proporcionan más fuerza con menos cambio angular desde la posición neutral, lo que minimiza la separación del flujo de aire, diseño de cuerpo sustentador que incluye el uso de láminas , que permiten que el fuselaje de la aeronave cree sustentación además de la de sus alas, y un diseño de baja resistencia, que reduce particularmente la resistencia en los bordes de ataque de la aeronave, como el cono de la nariz, las alas y los conductos de admisión del motor, son todas esenciales para crear una aeronave altamente maniobrable.
Algunos diseños, como el F-16 (que en su forma actual de producción se considera muy maniobrable, pero sólo el demostrador tecnológico F-16 VISTA se considera supermaniobrable) están diseñados para ser inherentemente inestables; es decir, la aeronave, si está completamente descontrolada, no tenderá a volver a un vuelo nivelado y estable después de una perturbación como lo haría un diseño inherentemente estable. Tales diseños requieren el uso de un sistema de "vuelo por cable" en el que una computadora corrige las inestabilidades menores al mismo tiempo que interpreta la entrada del piloto y manipula las superficies de control para producir el comportamiento deseado sin inducir una pérdida de control. Así, la inestabilidad del diseño corregida crea una aeronave que es altamente maniobrable; libre de la resistencia autolimitante que un diseño estable proporciona a las maniobras deseadas, un diseño intencionalmente inestable es capaz de velocidades de giro mucho más altas de las que serían posibles de otra manera.
Un canard es una superficie de control del elevador colocada delante de las alas. A veces, como en el B-1B , se utilizan simplemente para estabilizar partes flexibles del fuselaje o proporcionar cambios de actitud muy pequeños, pero a menudo se utilizan como complemento o reemplazo completo de los estabilizadores montados en la cola .
La teoría que sustenta la utilización de canards como única superficie de elevación es que ninguna configuración de elevadores detrás de las alas es verdaderamente satisfactoria para fines de maniobra; el flujo de aire sobre las alas crea turbulencias, por pequeñas que sean, y por lo tanto afecta a los elevadores ubicados directamente detrás de las alas. La ubicación debajo de las alas (común en muchos cazas) expone los elevadores a una turbulencia aún mayor proveniente de la artillería que se encuentra debajo de las alas.
La solución original para estos problemas, la cola en T , ha sido ampliamente desacreditada por ser propensa a peligrosas "pérdidas de sustentación". Otras soluciones, como la cola en V , colocan las superficies combinadas del timón de dirección y del elevador fuera del flujo de aire de las alas, pero reducen la efectividad de la superficie de control en los ejes de cabeceo y guiñada puros.
Como complemento de los elevadores tradicionales, los canards aumentan enormemente la superficie de control y, a menudo, aumentan el ángulo crítico de ataque de las alas, ya que el canard dirige el aire más directamente hacia el borde de ataque del ala. También pueden diseñarse para funcionar de forma independiente (es decir, contrarrotando), actuando así también como alerones .
Los canards no son un requisito y pueden tener desventajas, incluyendo una visibilidad reducida del piloto, mayor complejidad y fragilidad mecánica y mayor firma de radar, aunque la sección transversal del radar se puede reducir controlando la desviación del canard a través del software de control de vuelo, como se hace en el Eurofighter. [7] [8] El F-22, por ejemplo, no incorpora canards, principalmente por razones de sigilo. El único caza furtivo que incorpora canards es el J-20 .
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El Su-35 de producción también omite canards. Muchos demostradores de tecnología y bancos de pruebas de maniobrabilidad como el F-15 S/MTD incorporaron canards, incluso cuando el avión de producción en el que se basaron no lo hizo. Los cazas de producción como el Eurofighter Typhoon , Dassault Rafale y Saab Gripen utilizan una configuración de ala delta con superficies canard, mientras que algunas variantes del Su-27, incluidos el Su-30, Su-30MKI, Su-33 y Su-37, usan canards para complementar los elevadores tradicionales montados en la cola.
Aunque tanto en aviones aerodinámicos como en aviones supermaniobrables se encuentran una alta relación empuje-peso y una alta maniobrabilidad aerodinámica, la tecnología más directamente vinculada con la supermaniobrabilidad es la vectorización del empuje , en la que la geometría de la tobera de escape de un motor a reacción tradicional se puede modificar para inclinar el empuje del motor en una dirección distinta a la directa hacia atrás (es decir, hacia arriba o hacia abajo).
Esto aplica fuerza a la parte trasera de la aeronave en la dirección opuesta, de manera similar a una superficie de control convencional, pero a diferencia de una superficie de control, la fuerza del empuje vectorial depende del empuje actual del motor, no de la velocidad aerodinámica. Por lo tanto, la vectorización del empuje no solo aumenta las superficies de control (generalmente la de los elevadores) a alta velocidad, sino que también permite que la aeronave conserve la máxima maniobrabilidad por debajo de la velocidad de giro y cierto control de actitud por debajo de la velocidad de pérdida durante las maniobras.
Los demostradores de tecnología como el X-31 , el F-16 VISTA y el F-15 S/MTD se construyeron para mostrar las capacidades de un avión que utiliza esta tecnología; desde entonces se ha incorporado a los cazas de preproducción y producción como el F-22 Raptor . Las empresas de diseño del Bloque del Este también han introducido esta tecnología en variantes de aviones de cuarta generación como el MiG-29 y el Su-27 para producir el demostrador tecnológico MiG-29OVT y el caza de superioridad aérea Su-30MKI respectivamente, y los aviones de quinta generación de diseño ruso planificados como el Sukhoi Su-57 también utilizarán la tecnología. Además, los cazas rusos Su-30 nacionales se modernizarán con motores de empuje vectorial. [9]
La vectorización del empuje es más útil al realizar maniobras como el viraje en J aéreo , donde el morro del avión apunta hacia arriba (y, por lo tanto, el empuje del motor contrarresta la gravedad y proporciona control de actitud). De hecho, generalmente se considera imposible realizar una verdadera maniobra de viraje en J sin empuje vectorizado. Otras maniobras que se consideran imposibles de realizar bajo control utilizando solo maniobras aerodinámicas incluyen la campana (un bucle de 360° con un cambio de altitud insignificante) y el giro plano controlado (360° de guiñada alrededor de un punto de rotación que se encuentra dentro del avión). [ cita requerida ]
ISBN
alternativo 3-540-97161-0.