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Articulo de referencia

Rolleron

Rollones en el borde posterior de las aletas del misil AIM-9 Sidewinder Detalle de un rodillo en un Sidewinder Rollerones en las aletas del misil K-13 Un alerón de rodillo es un...

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Rollones en el borde posterior de las aletas del misil AIM-9 Sidewinder
Detalle de un rodillo en un Sidewinder
Rollerones en las aletas del misil K-13

Un alerón de rodillo es un tipo de alerón utilizado en cohetes para proporcionar estabilización pasiva contra la rotación. Si bien se usa con mayor frecuencia para estabilizar contra el alabeo , también puede utilizarse para contrarrestar el cabeceo y la guiñada . [ 1 ]

A principios de la década de 1950, se fabricaron los primeros rodillos. Su utilidad para la estabilización dinámica de misiles motivó que el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) los estudiara de inmediato. Demostró ser una solución más compacta, sencilla y fiable para el control del balanceo que los métodos anteriores, como la combinación de servomecanismos y alerones. Los dispositivos de rodillos se han utilizado ampliamente en misiles aire-aire de corto alcance y gran maniobrabilidad , como el prolífico AIM-9 Sidewinder . Los vehículos cohete también se han convertido en otra aplicación común.

Historia

A principios de la década de 1950, surgieron los primeros ejemplos del rodillo, inicialmente denominado amortiguador de balanceo . Debido a su potencial como dispositivo de estabilización de misiles, fue sometido rápidamente a evaluaciones exhaustivas por el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) y otras organizaciones. [ 2 ] Los primeros misiles en uso a mediados de la década de 1950 se caracterizaban por su limitada amortiguación del balanceo aerodinámico como consecuencia de sus superficies sustentadoras de baja relación de aspecto. La solución histórica a este problema consistía en instalar un servomecanismo para detectar la velocidad de balanceo y realizar ajustes en un alerón convencional para contrarrestarla según fuera necesario; este enfoque añadía complejidad y peso, y ocupaba un espacio limitado. Por lo tanto, se buscaban urgentemente métodos menos intrusivos, con preferencia por aquellos que no requirieran ningún componente interno. [ 3 ]

En noviembre de 1956, la NACA determinó que el rolleron tenía un enfoque de diseño confiable para configuraciones de misiles. [ 3 ] A petición del ejército estadounidense, se realizaron más pruebas para validar su rendimiento en misiles de producción. [ 4 ] En general, se han realizado más innovaciones y patentes asociadas con los rollerons durante las décadas siguientes. [ 5 ] [ 6 ] En la década de 1990, el rolleron, junto con sus posibles aplicaciones, continuó siendo examinado por diversas organizaciones y naciones. [ 1 ]

Función

El rolleron es un dispositivo estabilizador relativamente simple y económico. [ 7 ] El elemento central de un rolleron es un volante de inercia metálico que normalmente se coloca en el extremo posterior de una aleta . El volante tiene muescas cortadas en su circunferencia; estas muescas sobresalen intencionalmente para maximizar su interacción con el flujo de aire. De esta manera, mientras el misil se mueve por el aire, la corriente de aire resultante hace que el rolleron gire. [ 8 ] Mientras gira, el volante resiste cualquier fuerza lateral que actúe sobre él, de manera similar a un giroscopio . La ventaja de este movimiento giroscópico es que contrarresta la tendencia indeseable del misil a girar sobre su eje central, estabilizando dinámicamente su vuelo. [ 7 ] Además de estabilizar contra el balanceo , también se puede proporcionar un efecto similar para la guiñada y el cabeceo . [ 1 ]

Los rollerons también se utilizan en los misiles tierra-aire 9M31 y 9M37 de los sistemas de defensa aérea Strela-1 y Strela-10 ; los primeros utilizan cables enrollados en los discos del volante para hacerlos girar en el lanzamiento, mientras que los segundos utilizan un pequeño generador de gas para hacer girar los discos poco antes del lanzamiento. [ 9 ]

Los rollerons son valiosos para misiles que requieren un alto nivel de maniobrabilidad, como los que se usan en combates aéreos de corto alcance entre aviones de combate . [ 1 ]

Uno de los primeros en adoptar el sistema de rodillos fue el AIM-9 Sidewinder , un misil aire-aire prominente . Los rodillos están presentes en sus cuatro alas traseras. Al eliminar la tendencia al alabeo, el rodillo facilita considerablemente que el misil lleve a cabo sus funciones principales, como el seguimiento de objetivos. [ 7 ] [ 10 ] El rodillo también se ha convertido en una característica típica de los vehículos cohete. [ 11 ] [ 12 ]

Principios de funcionamiento

General

El diagrama ilustra la sección de cola de un misil con una configuración de aletas cruciformes. Un sistema de coordenadas 3D está centrado en el cuerpo del misil, con el eje longitudinal (x^,p) apuntando hacia adelante, el eje lateral (y^​,q) apuntando horizontalmente hacia la derecha y el eje vertical (z^,r) apuntando hacia abajo. Las cuatro aletas están numeradas del 1 al 4, correspondiendo a las aletas horizontal izquierda, vertical superior, horizontal derecha y vertical inferior, respectivamente. Cada aleta tiene un rodillo en el borde de salida, en su extremo exterior. Cuatro flechas representan los vectores de velocidad angular de los volantes de inercia de los rodillos, indicando sus ejes de rotación. El vector para la aleta izquierda (ω1) apunta hacia arriba, la aleta superior (ω2) apunta hacia la derecha, la aleta derecha (ω3) apunta hacia abajo y la aleta inferior (ω4) apunta hacia la izquierda.
Rollerones y sus respectivas velocidades angulares. Los volantes de inercia se han omitido para mayor claridad.

El roller actúa como un sistema estabilizador pasivo mediante precesión giroscópica. El momento angularL{\textstyle \mathbf {L} }de cada volante giratorio se define comoL=Iω{\displaystyle \mathbf {L} =I{\boldsymbol {\omega }}}dóndeI{\displaystyle I}es el momento de inercia del volante yω{\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}}es su velocidad angular .

Cuando una velocidad angularΩ{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}}Cuando se aplica al misil, la tasa de cambio del momento angular requerida para que el rodillo permanezca fijo con respecto al cuerpo del misil es:

τrmiqtúirmid=dLdt=Ω×L{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}_{required}={\frac {\mathrm {d} \mathbf {L} }{\mathrm {d} t}}={\boldsymbol {\Omega }}\times \mathbf {L} }

Sin embargo, debido a que el rodillo está montado sobre una bisagra y puede girar libremente, el misil no puede transferirle el par necesario. En cambio, el rodillo ejerce un par de reacción sobre la bisagra:

τ=−(Ω×L){\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=-\left({\boldsymbol {\Omega }}\times \mathbf {L} \right)}

Este par de reacciónτ{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}}hace que el rodillo se desvíe hacia la corriente de aire de tal manera que las fuerzas aerodinámicas resultantes produzcan un momento restaurador en el cohete que se oponeΩ{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}}.

El diagrama ilustra la sección de cola de un misil con una configuración de aletas cruciformes. Un sistema de coordenadas 3D está centrado en el cuerpo del misil, con el eje longitudinal (x^,p) apuntando hacia adelante, el eje lateral (y^​,q) apuntando horizontalmente hacia la derecha y el eje vertical (z^,r) apuntando hacia abajo. Las cuatro aletas están numeradas del 1 al 4, correspondientes a las aletas horizontal izquierda, vertical superior, horizontal derecha y vertical inferior, respectivamente. Cada aleta tiene un rodillo en el borde de salida, en su extremo exterior. Cuatro flechas representan los vectores de velocidad angular de los volantes de inercia de los rodillos, indicando sus ejes de rotación. El vector para la aleta izquierda (ω1) apunta hacia arriba, la aleta superior (ω2) apunta hacia la derecha, la aleta derecha (ω3) apunta hacia abajo y la aleta inferior (ω4) apunta hacia la izquierda. Se observa una perturbación de balanceo en sentido horario (vista desde atrás). Cada rodillo muestra el par de reacción a la perturbación, apuntando hacia afuera del misil, y la desviación resultante de los rodillos, que se desvían en el sentido de las agujas del reloj (visto desde atrás).
En azul, se muestran las perturbaciones de la rodadura y las consiguientes deflexiones de los rodillos. Los volantes de inercia se han omitido para mayor claridad.

Rollo

En el caso de una perturbación de balanceo puro,Ω{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}}se define comoΩ=[pag,0,0]⊺=pagincógnita^{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}={\left[p,0,0\right]}^{\intercal }=p{\hat {\boldsymbol {x}}}}y las velocidades angulares de los rollerones se definen de la siguiente manera:

ω1=−ω1z^ω3=ω3z^ω2=ω2y^ω4=−ω4y^{\displaystyle {\begin{aligned}&{\boldsymbol {\omega }}_{1}=-\omega _{1}{\hat {\boldsymbol {z}}}&&{\boldsymbol {\omega }}_{3}=\omega _{3}{\hat {\boldsymbol {z}}}\\&{\boldsymbol {\omega }}_{2}=\omega _{2}{\hat {\boldsymbol {y}}}&&{\boldsymbol {\omega }}_{4}=-\omega _{4}{\hat {\boldsymbol {y}}}\end{aligned}}}

El par de reacción para cualquier rodilloi{\displaystyle i}está dado por:

τi=−(Ω×Li){\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}_{i}=-\left({\boldsymbol {\Omega }}\times \mathbf {L} _{i}\right)}

Esto da como resultado:

τ1=−pagIω1y^τ3=pagIω3y^τ2=−pagIω2z^τ4=pagIω4z^{\displaystyle {\begin{aligned}&{\boldsymbol {\tau }}_{1}=-pI\omega _{1}{\hat {\boldsymbol {y}}}&&{\boldsymbol {\tau }}_{3}=pI\omega _{3}{\hat {\boldsymbol {y}}}\\&{\boldsymbol {\tau }}_{2}=-pI\omega _{2}{\hat {\boldsymbol {z}}}&&{\boldsymbol {\tau }}_{4}=pI\omega _{4}{\hat {\boldsymbol {z}}}\end{aligned}}}

Todos los rodillos se activan mediante una perturbación de la rodadura.

Perturbaciones de cabeceo y guiñada, y las consiguientes deflexiones de los rodillos, representadas en azul y naranja respectivamente. Los volantes de inercia se han omitido para mayor claridad.

Cabeceo y guiñada

Colocando las bisagras a lo largoy^{\displaystyle {\sombrero {\boldsymbol {y}}}}en las aletas 1 y 3, y a lo largoz^{\displaystyle {\sombrero {\boldsymbol {z}}}}en las aletas 2 y 4, es suficiente para la estabilización del balanceo. Sin embargo, inclinarlas a 45°, introduciendo así un componente del eje de la bisagra a lo largoincógnita^{\displaystyle {\sombrero {\boldsymbol {x}}}}Esto permite que los rodillos respondan también a las perturbaciones de cabeceo y guiñada.

Para una perturbación combinada de cabeceo y guiñada,Ω{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}}se define comoΩ=[0,q,r]⊺=qy^+rz^{\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}={\left[0,q,r\right]}^{\intercal }=q{\hat {\boldsymbol {y}}}+r{\hat {\boldsymbol {z}}}}, de este modo:

τ1=qIω1incógnita^τ3=−qIω3y^τ2=rIω2incógnita^τ4=−rIω4incógnita^{\displaystyle {\begin{aligned}&{\boldsymbol {\tau }}_{1}=qI\omega _{1}{\hat {\boldsymbol {x}}}&&{\boldsymbol {\tau }}_{3}=-qI\omega _{3}{\hat {\boldsymbol {y}}}\\&{\boldsymbol {\tau }}_{2}=rI\omega _{2}{\hat {\boldsymbol {x}}}&&{\boldsymbol {\tau }}_{4}=-rI\omega _{4}{\hat {\boldsymbol {x}}}\end{aligned}}}

El cabeceo activa los rodillos en las aletas 1 y 3, mientras que la guiñada activa los rodillos en las aletas 2 y 4.

Referencias

  1. 1 2 3 4 Der-Ren Taur; Jeng-Shing Chern (22 de agosto de 2012). "Dinámica de rodillos en aplicaciones de misiles" . 24.ª Conferencia de Mecánica de Vuelo Atmosférico, 9 de agosto de 1999 - 11 de agosto de 1999. doi : 10.2514 /6.1999-4260 .
  2. ↑ Nason, Martin L.; Brown, Clarence A. Jr.; Rock, Rupert S. (15 de septiembre de 1955). "Una evaluación de un sistema de estabilización de velocidad de alabeo Rolleron para una configuración de misil canard a números Mach de 0,9 a 2,3" . Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA).
  3. 1 2 Nason, Martin L. (29 de noviembre de 1956). "Un método semigráfico para la determinación de las características de rodadura de misiles equipados con rodillos" . Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA).
  4. ↑ Clarence A. Brown Jr.; Martin L. Nason (29 de abril de 1954). "Investigación de vuelo para evaluar el sistema de estabilización de la velocidad de alabeo del misil Sidewinder de la estación de pruebas de la Armada a números Mach de 0,9 a 2,3" . Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA).
  5. ^ Harry B. Porter; Robert A Weinhardt (1970). "US3640484A: Mecanismo de liberación" .
  6. ↑ Greene, Ronald W. (julio de 1980). "Análisis aerobalístico del ERB/TIGER II: Unidad de prueba aerodinámica ATU-2 (SLA R7150J2)" . osti.gov. doi : 10.2172/5233735 . OSTI 5233735. S2CID 107835834 .  {{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  7. 1 2 3 Harris, Tom (3 de octubre de 2002). "Rollerons explicados" . howstuffworks.com . Recuperado el 23 de mayo de 2022 .
  8. ↑ Henry Spencer ; Steven Kasow. "Rolleron explicado" . Grupo de noticias sci.space.tech . Consultado el 23 de mayo de 2022 .
  9. ↑ Historia de los misiles guiados electroópticos (PDF) . Hpasp. 2016. pág. 17. 
  10. ↑ "Misil Sidewinder" . Smithsonian . Consultado el 23 de mayo de 2022 .
  11. ^ von Bengtson, Kristian (25 de octubre de 2011). "Despegar en el aire" . cableado.com.
  12. ↑ Munz, Jamie (2013). "Diseño de sistemas mecánicos de un vehículo de vuelo cohete estacionario" . espace.library.uq.edu.au.
  • Mecanismo inusual: El rodillo , Revista Make
  • Prueba de rodillos para un cohete de construcción amateur
  • Demostración de Rolleron en YouTube