La supermaniobrabilidad es la capacidad de los aviones de combate para ejecutar maniobras tácticas que no son posibles con técnicas puramente aerodinámicas. Tales maniobras pueden implicar deslizamientos laterales controlados o ángulos de ataque más allá de la sustentación máxima. [1]
Esta capacidad se investigó a partir de 1975 en el Centro de Investigación Langley en los Estados Unidos y finalmente resultó en 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 supermaniobrables 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 algunas especulaciones, pero el mecanismo detrás de la supermaniobrabilidad del avión construido en Rusia no ha sido revelado públicamente. Sin embargo, los análisis posteriores a la pérdida 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 corta distancia y a baja velocidad va en contra de la teoría occidental de la energía-maniobrabilidad , que favorece la retención de energía cinética para obtener una gama cada vez mejor de opciones de maniobra cuanto más dure un enfrentamiento. [3] La USAF abandonó el concepto por considerarlo contraproducente para los enfrentamientos con BVR , ya que la maniobra Cobra deja al avión en un estado de energía casi nula, habiendo perdido la mayor parte de su velocidad sin ganar ninguna altitud de compensación en el proceso. Excepto en enfrentamientos uno a uno, esto deja al avión muy vulnerable a ataques tanto con misiles como con armas de fuego por parte de un compañero u otro enemigo, incluso si la amenaza inicial sobrepasa el avión supermaniobrado.
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Las maniobras tradicionales de los aviones se logran alterando el flujo de aire que pasa sobre las superficies de control del avión: los alerones , elevadores , flaps , frenos de aire y timón . Algunas de estas superficies de control se pueden combinar, como en los "timones" 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 respecto al 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 a la aeronave.
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 en la aeronave para mantener la actitud deseada , como cabeceo, balanceo y rumbo, y también para realizar maniobras acrobáticas que cambian rápidamente la dirección de la aeronave. actitud. Para mantener el control de maniobra tradicional, la aeronave debe mantener suficiente velocidad de avance y un ángulo de ataque suficientemente bajo para proporcionar 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 tanto, la maniobrabilidad. Si el ángulo de ataque excede 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 estancado intenta recuperarse.
La velocidad a la que un avión es capaz de realizar su máxima maniobrabilidad aerodinámica se conoce como velocidad aerodinámica en esquina ; a mayor velocidad, las superficies de control no pueden funcionar con el máximo efecto debido a tensiones en la estructura del avión o a la inestabilidad inducida por un flujo de aire turbulento sobre la superficie de control. A velocidades más bajas, la redirección del aire sobre las superficies de control y, por tanto, la fuerza aplicada para maniobrar el avión, se reduce por debajo de la capacidad máxima del fuselaje y, por tanto, el avión no girará a su velocidad máxima. Por lo tanto, en maniobras acrobáticas es deseable mantener la velocidad en las curvas.
En una aeronave súper maniobrable, el piloto puede mantener un alto grado de maniobrabilidad por debajo de la velocidad de curva y al menos un control de altitud limitado sin pérdida de altitud por debajo de la velocidad de pérdida. Un avión de este tipo es capaz de realizar maniobras imposibles con un diseño puramente aerodinámico. Más recientemente, el mayor uso de vehículos no tripulados instrumentados y propulsados por aviones ("drones de investigación") ha aumentado el posible ángulo de ataque de vuelo más allá de los 90 grados y hasta bien entrado en los dominios de vuelo seguros posteriores a la pérdida, y también ha reemplazado algunos de los usos tradicionales. de túneles de viento. [2]
No existe un conjunto estricto de pautas que deba cumplir una aeronave ni de características que deba tener para ser clasificada como supermaniobrable. Sin embargo, tal como se define la supermaniobrabilidad en sí, la capacidad de una aeronave para realizar maniobras alfa altas que son imposibles para la mayoría de las aeronaves es evidencia de la supermaniobrabilidad de la aeronave. Tales maniobras incluyen la Cobra de Pugachev y la maniobra de Herbst (también conocida como "giro en J").
Algunos aviones son capaces de realizar la Cobra de Pugachev sin la ayuda de funciones 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 y sus variantes, son capaces de realizar esta maniobra utilizando motores vectoriales normales sin 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 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 cuando el morro se levante y el flujo de aire sobre el ala se separe, pero naturalmente bajará incluso desde una posición parcialmente invertida, lo que permitirá al piloto recuperar el control total.
El Cobra, tal como lo realizan los aviones con vectorización sin empuje, todavía depende de que el avión se mueva en el aire; sin embargo, no involucra las superficies aerodinámicas de la aeronave ni el flujo de aire laminar normal, sino más bien toda la estructura del avión como una forma sólida que viaja en el aire y su centro de gravedad en relación con el vector de empuje. Al realizarse en condiciones mucho más allá del control aerodinámico normal y en una pérdida sin vectorización de empuje, esta es una forma de supermaniobrabilidad pasiva, posible debido al diseño de la aeronave en lugar de la vectorización de empuje, que proporciona una forma de controlar activamente la aeronave mucho más allá de lo normal. envolvente de vuelo.
Sin embargo, se cree que la maniobra de Herbst es imposible sin vectorización de empuje , ya que el "giro en J" requiere medio giro además del cabeceo mientras el avión está en pérdida, lo cual es imposible usando superficies de control convencionales. La Cobra de Pugachev se puede realizar con menos cambios de altitud si se utiliza empuje vectorial, ya que se puede hacer que el avión se incline mucho más rápidamente, induciendo la pérdida antes de que el avión gane altitud significativamente y recuperando la actitud nivelada antes de que se pierda altitud.
Aunque, como se mencionó anteriormente, ningún conjunto fijo de características define 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 en el primer disparo -y la probabilidad está ahí porque hay maniobras para evitar los misiles- el combate será más prolongado. Después de maniobrar, el avión estará a menor velocidad, pero ambos aviones pueden estar en una posición en la que no puedan disparar. Pero la supermaniobrabilidad permite que un avión gire en tres segundos y realice otro disparo. [4]
— Sergey Bogdan, piloto de pruebas jefe de Sukhoi
La diferencia clave entre un caza puramente aerodinámico y uno supermaniobrable generalmente se encuentra en sus características posteriores a la pérdida . Una pérdida, como se mencionó anteriormente, ocurre cuando el flujo de aire sobre la parte superior del ala se separa debido a un alto ángulo de ataque (esto puede ser causado por una baja velocidad, pero su causa directa se basa en la dirección del flujo de aire que hace contacto con el ala); Luego, el perfil aerodinámico pierde su principal fuente de sustentación y no soportará la aeronave hasta que se restablezca el flujo de aire normal sobre la parte superior del ala.
En el comportamiento de la aeronave en pérdida es donde se puede observar la principal diferencia entre maniobrabilidad aerodinámica y supermaniobrabilidad. En una 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 tal situación; el avión se inclinará con el morro hacia abajo para que el ángulo de ataque de las alas se reduzca para coincidir con la dirección actual del avión (conocido 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, algunos aviones entrarán en pérdida profunda . El diseño de la aeronave inhibirá o impedirá una reducción en el ángulo de ataque para restaurar el flujo de aire. El F-16 tiene este defecto, debido en parte a sus controles de vuelo por cable, que bajo ciertas circunstancias limitan la capacidad del piloto para apuntar el morro del avión hacia abajo para reducir el ángulo de ataque y recuperarse. [6] Ni un cabeceo extremo ni una pérdida profunda son deseables en un avión supermaniobrable.
Un avión supermaniobrable permite al piloto mantener al menos algo de control cuando el avión entra en pérdida y recuperar el control total rápidamente. Esto se logra en gran medida diseñando una aeronave que sea altamente maniobrable, pero que no entre en pérdida profunda (permitiendo así una rápida recuperación por parte del piloto) y se recupere de manera predecible y favorable (idealmente hasta un vuelo nivelado; de manera más realista, hasta una actitud de morro hacia abajo tan superficial como sea posible). posible). A ese diseño, se agregan características que permiten al piloto controlar activamente la aeronave mientras está en pérdida y mantener o recuperar el vuelo nivelado hacia adelante en una banda de altitud extremadamente poco profunda que sobrepasa las capacidades de maniobra aerodinámica pura.
Una característica clave de los cazas con supermaniobras 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. Generalmente 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 G. En particular, una relación empuje-peso superior a 1:1 es un umbral crítico, ya que permite que la aeronave mantenga e incluso gane velocidad en una actitud de morro hacia arriba; Este ascenso se basa en la pura potencia 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 sólo evita muchas situaciones en las que un avión puede entrar en pérdida (como durante maniobras de ascenso vertical), sino que cuando el avión entra en pérdida, la alta relación empuje-peso permite que que el piloto aumente bruscamente la velocidad de avance incluso cuando el avión se inclina con el morro hacia abajo; esto reduce el ángulo que el morro debe inclinar hacia abajo para alcanzar el vector de velocidad, recuperándose así más rápidamente de la pérdida. Esto permite controlar los puestos; el piloto detendrá intencionalmente el avión con una maniobra dura y luego se recuperará rápidamente con la alta potencia del motor.
A partir de finales de la cuarta generación y hasta la Generación 4.5 del desarrollo de aviones, los avances en la eficiencia y la potencia del motor permitieron a muchos cazas acercarse y superar relaciones empuje-peso de 1:1. La mayoría de los cazas de quinta generación actuales y previstos superarán este umbral.
Aunque la verdadera supermaniobrabilidad está fuera del ámbito de lo que es posible con el control aerodinámico puro, las tecnologías que impulsan a los aviones a alcanzar la capacidad de supermaniobrabilidad se basan en lo que de otro modo sería un diseño convencional controlado aerodinámicamente. Por tanto, un diseño que sea altamente maniobrable según 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 neutral, lo que minimiza la separación del flujo de aire, diseño del cuerpo de elevación que incluye el uso de tracas , que permiten que el fuselaje de la aeronave cree sustentación además de la de sus alas, y El diseño de baja resistencia, en particular la reducción de 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 esenciales para crear una aeronave altamente maniobrable.
Algunos diseños, como el F-16 (que en su forma de producción actual se considera altamente 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. Dichos diseños requieren el uso de un sistema de "vuelo por cable" donde una computadora corrige 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 corregida, la inestabilidad del diseño crea un avión 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 lo que sería posible de otra manera.
Un canard es una superficie de control de ascensor colocada delante de las alas. A veces, como ocurre con 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 detrás de los bulos como única superficie del ascensor es que ninguna configuración del ascensor detrás de las alas es realmente satisfactoria para fines de maniobra; el flujo de aire sobre las alas crea turbulencias, por pequeñas que sean, y por tanto afecta a los ascensores situados directamente detrás de las alas. La ubicación debajo de las alas (común en muchos cazas) expone los ascensores a turbulencias aún mayores debido a la artillería debajo de las alas.
La solución original a tales problemas, la cola en T , ha sido en gran medida desacreditada por ser propensa a peligrosas "pérdidas profundas". Otras soluciones, como la cola en V, colocan las superficies combinadas de timón y elevador fuera del flujo de aire de las alas, pero reducen la efectividad de la superficie de control en los ejes puros de cabeceo y guiñada.
Como complemento a los elevadores tradicionales, los canards aumentan enormemente la superficie de control y, a menudo, aumentan el ángulo crítico de ataque de las alas a medida 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, contrarrotar), actuando también como alerones .
Los canards no son un requisito y pueden tener desventajas que incluyen una visibilidad reducida del piloto, una mayor complejidad y fragilidad mecánica y una mayor firma del radar, aunque la sección transversal del radar se puede reducir controlando la deflexión de los canards a través del software de control de vuelo, como se hace en el Eurofighter. [7] [8] El F-22, por ejemplo, no incorpora bulos, principalmente por razones de sigilo. El único caza furtivo que incorpora bulos es el J-20 .
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El Su-35 de producción también omite los bulos. Muchos demostradores de tecnología y bancos de pruebas de maniobrabilidad, como el F-15 S/MTD , incorporaron bulos, 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, utilizan canards. para complementar los ascensores tradicionales montados en la cola.
Aunque tanto en los aviones aerodinámicos como en los de supermaniobrabilidad se encuentran una alta relación empuje-peso y una alta maniobrabilidad aerodinámica, la tecnología más directamente relacionada con la supermaniobrabilidad es la vectorización de empuje , en la que la geometría de la tobera de escape de un motor a reacción tradicional se puede modificar para Incline el empuje del motor en una dirección que no sea directamente hacia atrás (es decir, hacia arriba o hacia abajo).
Esto aplica fuerza a la parte trasera de la aeronave en la dirección opuesta, 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 del aire. Por lo tanto, la vectorización de empuje no sólo aumenta las superficies de control (generalmente las de los elevadores) a velocidad, sino que también permite que la aeronave retenga la máxima maniobrabilidad por debajo de la velocidad de curva y algo de control de actitud por debajo de la velocidad de pérdida durante las maniobras.
Se construyeron demostradores de tecnología como el X-31 , F-16 VISTA y F-15 S/MTD para mostrar las capacidades de un avión que utiliza esta tecnología; Desde entonces, se ha incorporado a 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 planes de quinta generación rusos. Los aviones diseñados como el Sukhoi Su-57 también utilizarán esta tecnología. Además, los cazas rusos Su-30 serán mejorados con motores de empuje vectorial. [9]
La vectorización de empuje es más útil al realizar maniobras como el giro 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 giro en J sin empuje vectorial. Otras maniobras que se consideran imposibles de realizar bajo control utilizando únicamente maniobras aerodinámicas incluyen la campana (un bucle de 360° con 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 necesaria ]
ISBN
alternativo 3-540-97161-0.