Solapa reventada

Los flaps soplados , también conocidos como flaps de ala soplados o flaps de chorro, son dispositivos aerodinámicos motorizados de alta sustentación que se utilizan en las alas de ciertas aeronaves 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 de salida del ala, dirigiéndolo hacia abajo para aumentar el coeficiente de sustentación . Existen diversos métodos para lograr este flujo de aire, la mayoría de los cuales utilizan los gases de escape de un motor a reacción o aire a alta presión proveniente del compresor, que luego se redirige para seguir la línea de los 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 de forma más general a sistemas como los de soplado de superficie superior o los sistemas de toberas en motores convencionales bajo el ala que dirigen el aire a través de los flaps. Los flaps soplados son una solución dentro de una categoría más amplia conocida como sustentación asistida , que también incluye varios sistemas de control de la capa límite , sistemas que utilizan el flujo de aire dirigido de la hélice y alas de control de circulación .

En la década de 1960, algunos aviones de combate terrestres y embarcados, como el Lockheed F-104 , el Blackburn Buccaneer y ciertas versiones del Mikoyan-Gurevich MiG-21 , utilizaron flaps internos soplados. Sin embargo, su uso se vio afectado por el elevado coste de mantenimiento que suponía mantener limpios los conductos y el correcto funcionamiento de los diversos sistemas de válvulas, además de la desventaja de que un fallo del motor reducía la sustentación precisamente en el momento en que más se necesitaba. El concepto reapareció en forma de soplado superior e inferior en varios aviones de transporte , tanto turbohélice como turbofán.

En un flap soplado convencional, una pequeña cantidad del aire comprimido producido por el motor a reacción se extrae en la etapa del compresor y se canaliza a través de conductos que recorren la parte posterior del ala. Allí, se fuerza a través de ranuras en los flaps del ala de la aeronave cuando estos alcanzan ciertos ángulos. La inyección de aire de alta energía en la capa límite produce un aumento en el ángulo de ataque de pérdida y en el coeficiente de sustentación máximo al retrasar la separación de la capa límite del perfil aerodinámico . El control de la capa límite mediante la inyección de masa (soplado) evita la separación de la capa límite al suministrar energía adicional a las partículas de fluido que se están retardando en la capa límite . Por lo tanto, la inyección de una masa de aire de alta velocidad en la corriente de aire esencialmente tangente a la superficie de la pared del perfil aerodinámico revierte la desaceleración por fricción de la capa límite; así, se retrasa la separación de la capa límite. ^{[ 1 ]}

El coeficiente de sustentación máximo de un ala puede incrementarse considerablemente mediante el control del flujo por soplado . Con ranuras mecánicas, la capa límite natural limita la presión de control de la capa límite a la carga total del flujo libre. ^{[ 2 ]} El soplado con una pequeña proporción del flujo de aire del motor (flap soplado internamente) aumenta la sustentación. El uso de cantidades mucho mayores de gas del escape del motor, que aumenta la cuerda efectiva del flap (el flap de chorro), produce 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 durante las décadas de 1950 y 1960, dando lugar a sistemas simplificados con un rendimiento similar. El sistema de soplado externo dirige el motor para que sople a través de los flaps en la parte trasera del ala. Parte del escape del reactor se desvía hacia abajo directamente por el flap, mientras que el aire adicional viaja a través de las ranuras del flap y sigue el borde exterior debido al efecto Coandă . El sistema de soplado de superficie superior similar dispone los motores sobre el ala y se basa completamente en el efecto Coandă para redirigir el flujo de aire. Si bien no son tan efectivos como el soplado directo, estos sistemas de "sustentación forzada" son, sin embargo, 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 a contracorriente, capaz de ejercer un control de alta autoridad sobre los flujos globales mediante modificaciones de baja energía en regiones clave del flujo. En este caso, la ranura de soplado de aire se ubica en el lado de presión cerca del punto de estancamiento del borde de ataque y el flujo de aire de control se dirige tangencialmente a la superficie, pero con dirección hacia adelante. Durante el funcionamiento de dicho sistema de control de flujo, se presentan 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 dicha región. Además, otro efecto, el efecto de conformación virtual , se utiliza 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 el coeficiente de sustentación máximo 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 máximo de aproximadamente 2,45, ^{[ 6 ]} el soplado externo (soplamiento de la superficie superior en un Boeing YC-14 ) lo mejora a aproximadamente 7, ^{[ 6 ]} y el soplado interno (flap de chorro en el 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, incluyendo pruebas de vuelo con los aviones Arado Ar 232 , Dornier Do 24 y Messerschmitt Bf 109. Lachmann ^{[ 9 ]} afirma que los aviones Arado y Dornier utilizaban un flujo de aire único accionado por eyector que era aspirado sobre parte de la envergadura del borde de salida y soplado sobre el resto. El eyector era accionado químicamente mediante vapor a alta presión. El Bf 109 utilizaba sopladores accionados por motor para el soplado de flaps.

Rebuffet y Poisson-Quinton ^{[ 10 ]} describen pruebas realizadas en Francia en ONERA después de la guerra con succión combinada en la primera sección del flap y soplado en la segunda sección del flap utilizando un eyector de purga del compresor de un motor a reacción para proporcionar tanto succión como soplado. Las pruebas de vuelo se realizaron en un avión Breguet Vultur . ^{[ 11 ]}

También se realizaron pruebas en Westland Aircraft por WH Paine después de la guerra, con informes fechados en 1950 y 1951. ^{[ 8 ]}

En Estados Unidos, un Grumman F9F Panther fue modificado con un sistema de soplado de flaps basado en el trabajo realizado por John Attinello en 1951. Se utilizó la purga del compresor del motor. El sistema se conocía como "Control de la capa límite de supercirculación" o BLC por sus siglas en inglés. ^{[ 12 ]}

Entre 1951 y 1955, Cessna realizó pruebas de soplado de flaps en aeronaves Cessna 309 y 319 utilizando el sistema Arado. ^{[ 13 ]}

Durante las décadas de 1950 y 1960, los aviones de combate evolucionaron generalmente hacia alas más pequeñas para reducir la resistencia aerodinámica 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/ft² ⁽ 117 kg/m² ⁾ y el Messerschmitt Bf 109 tenía una carga "muy alta" de 30 lb/ft² ⁽ 146 kg/m² ⁾ , mientras que el Lockheed F-104 Starfighter de la década de 1950 tenía 111 lb/ft² ⁽ 542 kg/ ^m² ) .

Una desventaja importante de estas mayores cargas alares se manifiesta a baja velocidad, cuando no queda suficiente superficie alar para proporcionar la sustentación necesaria para mantener el avión en vuelo. Ni siquiera unos flaps enormes podían compensar esto significativamente, y como resultado, muchos aviones aterrizaban a velocidades bastante altas, lo que provocó numerosos accidentes.

La principal razón por la que los flaps no eran efectivos es que el flujo de aire sobre el ala solo podía desviarse hasta cierto punto antes de dejar de seguir el perfil del ala, una condición conocida como separación de flujo . Existe un límite en la cantidad de aire que los flaps pueden desviar en total. Hay maneras de mejorar esto, mediante un mejor diseño de los flaps; los aviones comerciales modernos utilizan, por ejemplo, flaps complejos de varias partes. Sin embargo, los flaps grandes tienden a añadir una complejidad considerable y ocupan espacio en la parte exterior del ala, lo que los hace inadecuados para su uso en un avión de combate.

El principio del flap de chorro, un tipo de flap soplado internamente, 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 experimental Hunting H.126. Redujo la velocidad de pérdida a solo 32 mph (51 km/h) , una cifra que la mayoría de las aeronaves ligeras no pueden igualar. El flap de chorro utilizaba un gran porcentaje del escape del motor, en lugar del aire de purga del compresor, para el soplado. ^{[ 15 ]}  

Uno de los primeros aviones de producción con flaps soplados 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 alar del Starfighter. El Lockheed T2V SeaStar , con flaps soplados, había entrado en servicio en mayo de 1957, pero tuvo problemas de mantenimiento persistentes con el BLCS que llevaron a su retiro temprano. ^{[ 17 ]} En junio de 1958, el Supermarine Scimitar con flaps soplados entró en servicio. ^{[ 18 ]} Los flaps soplados se usaron 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 . El Mikoyan-Gurevich MiG-21 y el Mikoyan-Gurevich MiG-23 tenían flaps soplados. Petrov ^{[ 19 ]} afirma que la operación a largo plazo de estas aeronaves demostró la alta fiabilidad de los sistemas BLC. El TSR-2 , que fue cancelado antes de entrar en servicio, tenía flaps soplados de envergadura completa. ^{[ 20 ]}

A partir de la década de 1970, las lecciones del combate aéreo en Vietnam cambiaron considerablemente la forma de pensar. En lugar de aeronaves diseñadas para la velocidad pura, 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 de ala más grandes para proporcionar más sustentación. Por ejemplo, el General Dynamics F-16 Fighting Falcon tiene una carga alar de 78,5 lb/ft² ⁽ 383 kg/m² ⁾ y utiliza extensiones del borde de ataque para proporcionar mucha más sustentación a ángulos de ataque más altos , incluyendo la aproximación y el aterrizaje. Algunas aeronaves de combate posteriores lograron las características de baja velocidad requeridas utilizando alas de geometría variable . El soplado interno de flaps todavía se utiliza para complementar los flaps soplados externamente en el Shin Meiwa US-1A .

Algunas aeronaves actualmente (2015) en servicio que requieren un rendimiento STOL utilizan soplado externo de flaps y, en algunos casos, también utilizan soplado interno de flaps en los flaps, así como en 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 ]} el "flap soplado externamente" (utilizado en el Boeing C-17 Globemaster ), "soplamiento de superficie superior" (utilizado en el Antonov An-72 y Antonov An-74 ) y "corriente de deslizamiento vectorizada", o "soplamiento sobre el ala", ^{[ 19 ]} utilizado en el Antonov An-70 y el Shin Meiwa US-1A y ShinMaywa US-2 .

Los sistemas de sustentación alta motorizados, como los flaps soplados externamente, no se utilizan en aeronaves de transporte civil por las razones dadas por Reckzeh, ^{[ 21 ]} que incluyen complejidad, peso, costo, longitudes de pista existentes suficientes y reglas de certificación.

• Capa límite
• Control de la capa límite
• Efecto Coandă
• Ala de control de circulación
• Vectorización de empuje

• "Sopla, sopla, viento BLC" , Flight International , 1971