Vectorización de empuje

Nominalmente, la línea de acción del vector de empuje de la tobera de un cohete pasa por el centro de masa del vehículo , generando un par neto nulo alrededor del centro de masa. Es posible generar momentos de cabeceo y guiñada desviando el vector de empuje principal del cohete para que no pase por el centro de masa. Dado que la línea de acción suele estar orientada casi paralela al eje de alabeo , el control de alabeo generalmente requiere el uso de dos o más toberas articuladas de forma independiente o un sistema completamente separado, como aletas o álabes en la columna de escape del motor del cohete, que desvíen el empuje principal. El control del vector de empuje (TVC) solo es posible cuando el sistema de propulsión está generando empuje; se requieren mecanismos separados para el control de actitud y trayectoria de vuelo durante las demás etapas del vuelo.

La vectorización del empuje se puede lograr mediante cuatro medios básicos: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• Motor(es) o boquilla(s) con cardán
• Inyección de fluidos reactivos
• Propulsores auxiliares "Vernier"
• Paletas de escape, también conocidas como paletas de chorro

Paletas de escape

Uno de los primeros métodos de vectorización de empuje en motores de cohete consistía en colocar álabes en el flujo de escape. Estos álabes, también conocidos como álabes de chorro, permiten desviar el empuje sin mover ninguna parte del motor, pero reducen la eficiencia del cohete. Tienen la ventaja de permitir el control de alabeo con un solo motor, algo que no permite el cardán de la tobera. El V-2 utilizaba álabes de escape de grafito y álabes aerodinámicos, al igual que el Redstone , derivado del V-2. Los cohetes Sapphire y Nexo del grupo amateur Copenhagen Suborbitals ofrecen un ejemplo moderno de álabes de chorro. Estos álabes deben estar hechos de un material refractario o refrigerados activamente para evitar que se fundan. Sapphire utilizaba álabes de cobre macizo por su alta capacidad calorífica y conductividad térmica, y Nexo utilizaba grafito por su alto punto de fusión, pero, a menos que se refrigeren activamente, los álabes de chorro sufren una erosión considerable. Esto, sumado a la ineficiencia de los álabes de chorro, prácticamente impide su uso en cohetes modernos.

Algunos misiles tácticos atmosféricos de menor tamaño , como el AIM-9X Sidewinder , prescinden de superficies de control de vuelo y, en su lugar, utilizan aletas mecánicas para desviar los gases de escape del motor del cohete hacia un lado.

Mediante el uso de paletas mecánicas para desviar los gases de escape del motor del misil, este puede autocontrolarse incluso poco después de su lanzamiento (cuando se mueve lentamente, antes de alcanzar una alta velocidad). Esto se debe a que, aunque el misil se mueva a baja velocidad, los gases de escape del motor del cohete tienen la velocidad suficiente para ejercer la fuerza necesaria sobre las paletas mecánicas. Por lo tanto, la vectorización del empuje puede reducir el alcance mínimo de un misil. Por ejemplo, misiles antitanque como el Eryx y el PARS 3 LR utilizan la vectorización del empuje por este motivo. ^{[ 8 ]}

Otros proyectiles que utilizan vectorización de empuje:

• 9M330 ^{[ 9 ]}
• El proyectil de mortero Strix utiliza doce cohetes propulsores laterales de sección media para proporcionar correcciones de trayectoria terminal ^{[ 8 ].}
• El misil avanzado de defensa aérea utiliza aletas de chorro.
• Astra (misil) ^{[ 10 ]}
• Akash (misil) ^{[ 11 ]}
• BrahMos ^{[ 12 ]}
• MPATGM utiliza paletas de chorro
• Pralay utiliza paletas de chorro
• QRSAM utiliza paletas de chorro.
• NASM-SR utiliza paletas de chorro ^{[ 13 ]}
• AAM-5
• El Barak 8 utiliza paletas de chorro.
• A-Darter utiliza paletas de chorro.
• ASRAAM utiliza paletas de chorro
• El misil R-73 utiliza paletas de escape .
• El HQ-9 utiliza paletas de chorro.
• PL-10 (ASR) utiliza paletas de chorro
• El misil MICA utiliza aletas de chorro .
• PARS 3 LR utiliza paletas de chorro
• IRIS-T utiliza paletas de chorro
• Sky Sword II utiliza paletas de propulsión.
• La familia de misiles Aster combina el control aerodinámico y el control vectorial de empuje directo denominado "PIF-PAF".
• El misil AIM-9X utiliza cuatro aletas de chorro dentro del escape, que se mueven al mismo tiempo que las aletas estabilizadoras.
• El 9M96E utiliza un sistema de control gasodinámico que permite maniobrar a altitudes de hasta 35 km con fuerzas superiores a 20 g , lo que permite interceptar misiles balísticos no estratégicos. ^{[ 14 ]}
• El Iskander 9K720 se controla durante todo el vuelo mediante superficies de control gasodinámicas y aerodinámicas.
• Subclases Dongfeng /misiles balísticos JL-2 / JL-3 (supuestamente equipados con control TVC) ^{[ 15 ]}
• El SRAAM utiliza paletas de chorro.

La mayoría de las aeronaves de empuje vectorial actualmente operativas utilizan turbofanes con toberas o álabes giratorios para desviar el flujo de escape. Este método permite desviar el empuje hasta 90 grados con respecto al eje central de la aeronave. Si una aeronave utiliza el empuje vectorial para operaciones VTOL, el motor debe dimensionarse para el despegue vertical, en lugar del vuelo normal, lo que resulta en un aumento de peso. La postcombustión (o combustión en cámara plenum, PCB, en el flujo de derivación) es difícil de incorporar y resulta poco práctica para el empuje vectorial en el despegue y el aterrizaje, ya que el escape a muy alta temperatura puede dañar las superficies de la pista. Sin postcombustión, es difícil alcanzar velocidades de vuelo supersónicas. Un motor PCB, el Bristol Siddeley BS100 , fue cancelado en 1965.

Las aeronaves de rotor basculante distribuyen su empuje mediante góndolas de motores turbohélice giratorias . La complejidad mecánica de este diseño es considerable, incluyendo la torsión de componentes internos flexibles y la transferencia de potencia entre los motores mediante ejes de transmisión . La mayoría de los diseños actuales de rotor basculante cuentan con dos rotores en una configuración paralela. Si una aeronave de este tipo vuela de forma que entre en un estado de anillo de vórtice , uno de los rotores siempre entrará ligeramente antes que el otro, lo que provocará que la aeronave realice un giro brusco e imprevisto.

La vectorización del empuje también se utiliza como mecanismo de control para dirigibles . Una aplicación temprana fue el dirigible Delta del Ejército Británico , que voló por primera vez en 1912. ^{[ 16 ]} Posteriormente se utilizó en el HMA (His Majesty's Airship) No. 9r , un dirigible rígido británico que voló por primera vez en 1916 ^{[ 17 ]} y los dirigibles rígidos gemelos de la Armada de los EE. UU. de la década de 1930, USS Akron y USS Macon , que se utilizaron como portaaviones aéreos , y una forma similar de vectorización del empuje también es particularmente valiosa hoy en día para el control de dirigibles modernos no rígidos . En este uso, la mayor parte de la carga generalmente es soportada por flotabilidad y el empuje vectorizado se utiliza para controlar el movimiento de la aeronave. El primer dirigible que utilizó un sistema de control basado en aire presurizado fue el Omnia Dir de Enrico Forlanini en la década de 1930.

En 1949, Percy Walwyn presentó al Ministerio del Aire británico un diseño para un avión a reacción con vectorización de empuje; los dibujos de Walwyn se conservan en la Biblioteca Aeroespacial Nacional de Farnborough. ^{[ 18 ]} El interés oficial disminuyó cuando se supo que el diseñador era un paciente de un hospital psiquiátrico.

Actualmente en investigación, el vector de empuje fluidico (FTV) desvía el empuje mediante inyecciones fluidicas secundarias . ^{[ 19 ]} Las pruebas muestran que el aire forzado en el flujo de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados. Estas toberas son deseables por su menor masa y costo (hasta un 50% menos), inercia (para una respuesta de control más rápida y fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos o ninguna pieza o superficie móvil, menor mantenimiento) y sección transversal de radar para sigilo . Esto probablemente se utilizará en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de combate de sexta generación .

Simetría axial

Boquillas con salida circular.

Control de vuelo aerodinámico convencional (CAFC)

Control de cabeceo, guiñada-cabeceo, guiñada-cabeceo-balanceo o cualquier otra combinación de control de la aeronave mediante la deflexión aerodinámica utilizando timones, flaps, elevadores y/o alerones.

Boquilla convergente-divergente (CD)

Generalmente se utiliza en aviones a reacción supersónicos donde la relación de presión de la tobera (npr) > 3. El escape del motor se expande a través de una sección convergente para alcanzar Mach 1 y luego se expande a través de una sección divergente para alcanzar la velocidad supersónica en el plano de salida, o menos a una npr baja. ^{[ 24 ]}

Boquilla convergente

Generalmente se utiliza en aviones a reacción subsónicos y transónicos donde npr < 3. El escape del motor se expande a través de una sección convergente para lograr Mach 1 en el plano de salida, o menos a npr bajo. ^{[ 24 ]}

Ángulo de vectorización efectivo

El ángulo medio de desviación de la línea central de la corriente en chorro en un momento dado.

Boquilla fija

Una tobera de vectorización de empuje de geometría invariante o de geometría variable que mantiene una relación de área geométrica constante durante la vectorización. También se la denominará tobera para aeronaves civiles y representa el control de vectorización de empuje aplicable a aeronaves de pasajeros, transporte, carga y otras aeronaves subsónicas.

Vectorización de empuje fluida

La manipulación o control del flujo de escape mediante el uso de una fuente de aire secundaria, generalmente aire extraído del compresor o ventilador del motor. ^{[ 25 ]}

ángulo de vectorización geométrica

Línea central geométrica de la boquilla durante la vectorización. Para aquellas boquillas cuya vectorización se realiza en la garganta geométrica o más allá, esta puede diferir considerablemente del ángulo de vectorización efectivo.

Boquilla de conducto giratoria de tres cojinetes (3BSD ^{[ 21 ]} )

Tres segmentos angulares del conducto de escape del motor giran uno respecto al otro alrededor del eje central del conducto para producir el cabeceo y la guiñada del eje de empuje de la tobera. ^{[ 26 ]}

Tridimensional (3D)

Boquillas con control multieje o de cabeceo y guiñada. ^{[ 20 ]}

Vectorización de empuje (TV)

La desviación del chorro alejándolo del eje del cuerpo mediante la implementación de una boquilla flexible, aletas, paletas, mecánica de fluidos auxiliar o métodos similares.

Control de vuelo con vectorización de empuje (TVFC)

Cabeceo, guiñada-cabeceo, guiñada-cabeceo-balanceo, o cualquier otra combinación de control de la aeronave mediante la desviación del empuje que generalmente emana de un motor turbofán de respiración de aire.

Bidimensional (2-D)

Boquillas con salidas cuadradas o rectangulares. Además de la forma geométrica, 2-D también puede referirse al grado de libertad (DOF) controlado, que es de un solo eje o solo de cabeceo, en cuyo caso se incluyen las boquillas redondas. ^{[ 20 ]}

Convergencia-divergencia bidimensional (CD 2D)

Toberas supersónicas cuadradas, rectangulares o redondas en aviones de combate con control únicamente de cabeceo.

Boquilla variable

Una tobera de vectorización de empuje de geometría variable que mantiene una relación de área efectiva constante, o permite una variable, durante la vectorización. También se la denominará tobera de aeronave militar, ya que representa el control de vectorización de empuje aplicable a aviones de combate y otras aeronaves supersónicas con postcombustión. La sección convergente puede controlarse completamente, mientras que la sección divergente sigue una relación predeterminada con el área de la garganta convergente. ^{[ 20 ]} Alternativamente, el área de la garganta y el área de salida pueden controlarse de forma independiente, para permitir que la sección divergente se ajuste a las condiciones exactas de vuelo. ^{[ 20 ]}

Relaciones de área geométrica

Mantener una relación de área geométrica fija desde la garganta hasta la salida durante la vectorización. La garganta efectiva se estrecha a medida que aumenta el ángulo de vectorización.

Relaciones de área efectiva

Mantener una relación de área efectiva fija desde la garganta hasta la salida durante el proceso de vectorización. La garganta geométrica se abre a medida que aumenta el ángulo de vectorización.

Relaciones de área diferencial

La maximización de la eficiencia de expansión de la boquilla generalmente se logra prediciendo el área efectiva óptima en función del caudal másico.

Tipo I

Boquillas cuyo bastidor base gira mecánicamente antes de la garganta geométrica.

Tipo II

Boquillas cuyo bastidor base gira mecánicamente en la garganta geométrica.

Tipo III

Boquillas cuyo bastidor base no gira. En cambio, la adición de paletas o álabes deflectores mecánicos posteriores a la salida permite la desviación del chorro.

Tipo IV

Desviación del chorro mediante flujos auxiliares a contracorriente o en paralelo (por control de vector de choque o desplazamiento de garganta) ^{[ 25 ] . Desviación del chorro basada en fluidos mediante inyección de fluidos secundaria. [ 25 ]}

Tipo adicional

Boquillas cuyo conducto de escape aguas arriba consta de segmentos en forma de cuña que giran entre sí alrededor del eje central del conducto. ^{[ 21 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Un ejemplo de vectorización de empuje 2D es el motor Rolls-Royce Pegasus utilizado en el Hawker Siddeley Harrier , así como en la variante AV-8B Harrier II . El uso generalizado de la vectorización de empuje para mejorar la maniobrabilidad en los aviones de combate occidentales de producción en serie no se produjo hasta el despliegue del caza a reacción de quinta generación Lockheed Martin F-22 Raptor en 2005, con su turbofán Pratt & Whitney F119 con postcombustión y vectorización de empuje 2D . ^{[ 28 ]}

Mientras que el Lockheed Martin F-35 Lightning II utiliza un turbofán convencional con postcombustión (Pratt & Whitney F135) para facilitar la operación supersónica, su variante F-35B, desarrollada para uso conjunto por el Cuerpo de Marines de EE. UU. , la Real Fuerza Aérea , la Marina Real Británica y la Armada Italiana , también incorpora un ventilador remoto de baja presión accionado por eje, montado verticalmente, que se acciona mediante un embrague durante el aterrizaje desde el motor. Tanto el escape de este ventilador como el del motor principal son desviados por toberas de vectorización de empuje, para proporcionar la combinación adecuada de sustentación y empuje propulsor. No está diseñado para mejorar la maniobrabilidad en combate, sino únicamente para operaciones VTOL , y los F-35A y F-35C no utilizan la vectorización de empuje en absoluto.

El Sukhoi Su-30MKI , producido por India bajo licencia de Hindustan Aeronautics Limited , está en servicio activo en la Fuerza Aérea India . El TVC (Control de Potencia Versátil) le confiere una gran maniobrabilidad, permitiéndole alcanzar velocidades cercanas a cero con altos ángulos de ataque sin entrar en pérdida, y realizar acrobacias dinámicas a bajas velocidades. El Su-30MKI está propulsado por dos turbofanes con postcombustión Al-31FP . Las toberas del TVC del MKI están montadas a 32 grados hacia afuera del eje longitudinal del motor (es decir, en el plano horizontal) y pueden desviarse ±15 grados en el plano vertical. Esto produce un efecto de sacacorchos , mejorando notablemente la capacidad de giro de la aeronave. ^{[ 29 ]}

Algunos estudios computarizados añaden vectorización de empuje a aviones de pasajeros existentes, como el Boeing 727 y el 747, para prevenir fallas catastróficas, mientras que el X-48C experimental podría ser dirigido por reactores en el futuro. ^{[ 30 ]}

Ejemplos de cohetes y misiles ^{[ 31 ]} que utilizan vectorización de empuje incluyen tanto grandes sistemas como el cohete propulsor sólido del transbordador espacial (SRB), el misil tierra-aire S-300P (SA-10) , el misil balístico nuclear UGM-27 Polaris y el misil balístico RT-23 (SS-24) y armas de campo de batalla más pequeñas como el Swingfire .

Los principios de la vectorización del empuje aéreo se han adaptado recientemente a aplicaciones militares marítimas en forma de sistemas de dirección por chorro de agua de alta velocidad que proporcionan una agilidad excepcional. Ejemplos de ello son la patrullera rápida Dvora Mk-III , la lancha misilística de la clase Hamina y los buques de combate litoral de la Armada de los Estados Unidos . ^{[ 30 ]}

• Campana Modelo 65
• Campana X-14
• Bell Boeing V-22 Osprey
• Boeing X-32 ^{[ 32 ]}
• Dornier Do 31
• EWR VJ 101

• 

  Avión de despegue vertical Harrier
  • Harrier II de British Aerospace
  • Sea Harrier de British Aerospace
  • Hawker Siddeley Harrier
  • McDonnell Douglas AV-8B Harrier II
• Hawker Siddeley Kestrel
• Hawker Siddeley P.1127
• Lockheed Martin F-35B Lightning II
• VFW VAK 191B
• Yakovlev Yak-38
• Yakovlev Yak-141

• Grumman YA2F-1 Intruder (Primeros 7 ejemplos) ^{[ 35 ]}

• Dirigible clase 23 , una serie de dirigibles británicos de la Primera Guerra Mundial.
• Dirigible moderno Skyship 600 de Airship Industries
• American Eagle , dirigible experimental de 1909
• Dirigible moderno Zeppelin NT con vectorización de empuje.

• Sikorsky XV-2
• NOTARIO