Jinete de olas

Un waverider es un diseño de avión hipersónico que mejora su relación sustentación-resistencia supersónica utilizando las ondas de choque generadas por su propio vuelo como superficie de sustentación, un fenómeno conocido como sustentación por compresión .

El waverider sigue siendo un diseño bien estudiado para aeronaves de alta velocidad en el régimen hipersónico de Mach 5 y superior, aunque todavía no se ha producido ningún diseño de este tipo. El avión de demostración con estatorreactor Boeing X-51 se probó entre 2010 y 2013. En su último vuelo de prueba, alcanzó una velocidad de Mach 5,1 (5400 km/h; 3400 mph). ^{[1] [2]}

El concepto de diseño del waverider fue desarrollado por primera vez por Terence Nonweiler de la Queen's University de Belfast , y descrito por primera vez en forma impresa en 1951 como un vehículo de reentrada. ^[3] Consistía en una plataforma de ala delta con una carga alar baja para proporcionar un área de superficie considerable para descargar el calor de la reentrada. En ese momento, Nonweiler se vio obligado a utilizar un modelo 2D muy simplificado del flujo de aire alrededor de la aeronave, que se dio cuenta de que no sería preciso debido al flujo en sentido de la envergadura a través del ala. Sin embargo, también notó que el flujo en sentido de la envergadura se detendría por la onda de choque generada por la aeronave, y que si el ala se posicionaba para acercarse deliberadamente al choque, el flujo en sentido de la envergadura quedaría atrapado debajo del ala, aumentando la presión y, por lo tanto, aumentando la sustentación.

En la década de 1950, los británicos iniciaron un programa espacial basado en el misil Blue Streak , que, en algún momento, incluiría un vehículo tripulado. Se contrató a Armstrong-Whitworth para desarrollar el vehículo de reentrada y, a diferencia del programa espacial estadounidense, decidieron quedarse con un vehículo alado en lugar de una cápsula balística . Entre 1957 y 1959, contrataron a Nonweiler para desarrollar aún más sus conceptos. Este trabajo produjo un diseño en forma de pirámide con una parte inferior plana y alas cortas. El calor se conducía a través de las alas hasta las superficies frías superiores, donde se vertía al aire turbulento en la parte superior del ala. En 1960, el trabajo en el Blue Streak se canceló porque se consideró que el misil estaba obsoleto antes de que pudiera haber entrado en servicio. Luego, el trabajo se trasladó al Royal Aircraft Establishment (RAE), donde continuó como un programa de investigación sobre aviones civiles de alta velocidad (Mach 4 a 7) . ^[4]

Este trabajo fue descubierto por ingenieros de North American Aviation durante los primeros estudios de diseño de lo que conduciría al bombardero XB-70 . Rediseñaron el ala delta "clásica" original para incorporar puntas de ala inclinadas con el fin de atrapar las ondas de choque mecánicamente, en lugar de utilizar un cono de choque generado desde la parte delantera del avión. Este mecanismo también tuvo otros dos efectos beneficiosos: redujo la cantidad de superficie de sustentación horizontal en la parte trasera del avión, lo que ayudó a compensar un ajuste de morro hacia abajo que se produce a altas velocidades, y agregó más superficie vertical que ayudó a mejorar la estabilidad direccional, que disminuyó a alta velocidad. ^{[ cita requerida ]}

El diseño original de Nonweiler utilizaba la onda de choque generada por el avión como una forma de controlar el flujo en el sentido de la envergadura y, por lo tanto, aumentar la cantidad de aire atrapado debajo del ala de la misma manera que una valla de ala . Mientras trabajaba en estos conceptos, se dio cuenta de que era posible dar forma al ala de tal manera que la onda de choque generada por su borde de ataque formara una lámina horizontal debajo de la aeronave. En este caso, el flujo de aire no solo quedaría atrapado horizontalmente, en el sentido de la envergadura, sino también verticalmente. La única zona por la que podría escapar el aire por encima de la onda de choque sería por la parte posterior de la lámina donde terminaba el fuselaje. Dado que el aire quedaba atrapado entre esta lámina y el fuselaje, quedaría atrapado un gran volumen de aire, mucho más que el enfoque más básico que desarrolló primero. Además, dado que la superficie de choque se mantenía a cierta distancia de la aeronave, el calentamiento por choque se limitaba a los bordes de ataque de las alas, lo que reducía las cargas térmicas en el fuselaje.

En 1962, Nonweiler se trasladó a la Universidad de Glasgow para convertirse en profesor de aerodinámica y mecánica de fluidos. Ese año, su "Alas delta de formas susceptibles de una teoría exacta de ondas de choque" fue publicado por el Journal of the Royal Aeronautical Society , y le valió la Medalla de Oro de esa sociedad . Una nave generada utilizando este modelo parece un ala delta que se ha roto por el centro y los dos lados doblados hacia abajo. Desde atrás parece una V invertida, o alternativamente, el " signo de intercalación ", ^, y estos diseños se conocen como "alas de intercalación". Dos o tres años más tarde, el concepto llegó brevemente a la luz pública, debido al trabajo sobre aviones de pasajeros en la RAE que llevó a la perspectiva de llegar a Australia en 90 minutos. Los artículos de periódico dieron lugar a una aparición en la televisión escocesa . ^{[ cita requerida ]}

Hawker Siddeley examinó el waverider de ala de careta a finales de la década de 1960 como parte de un diseño de cohete lunar de tres etapas. La primera etapa se construyó sobre un Blue Steel ampliado , la segunda un waverider y la tercera una etapa tripulada de propulsión nuclear. Este trabajo se generalizó en 1971 para producir una nave espacial reutilizable de dos etapas. La primera etapa de 121 pies (37 m) de largo fue diseñada como un waverider clásico, con propulsión por aire para regresar al sitio de lanzamiento. La etapa superior fue diseñada como un cuerpo de elevación y habría transportado una carga útil de 8000 libras (3,6 t) a la órbita baja de la Tierra . ^{[ cita requerida ]}

El trabajo de Nonweiler se basó en estudios de ondas de choque planas en 2D debido a la dificultad de comprender y predecir los patrones de ondas de choque del mundo real alrededor de cuerpos en 3D. A medida que mejoró el estudio de los flujos hipersónicos, los investigadores pudieron estudiar diseños de waverider que usaban diferentes formas de ondas de choque, siendo la más simple la onda de choque cónica generada por un cono. En estos casos, un waverider está diseñado para mantener la onda de choque redondeada unida a sus alas, no a una lámina plana, lo que aumenta el volumen de aire atrapado debajo de la superficie y, por lo tanto, aumenta la sustentación. ^[5]

A diferencia de las alas con forma de cono, los diseños de flujo cónico curvan suavemente sus alas, desde casi horizontales en el centro hasta muy caídas donde se encuentran con el choque. Al igual que las alas con forma de cono, deben diseñarse para operar a una velocidad específica para unir correctamente la onda de choque al borde de ataque del ala, pero a diferencia de ellas, la forma de todo el cuerpo puede variar drásticamente a las diferentes velocidades de diseño y, a veces, tienen puntas de alas que se curvan hacia arriba para unirse a la onda de choque. ^{[ cita requerida ]}

Un mayor desarrollo de las secciones cónicas, añadiendo cubiertas y áreas de fuselaje, condujo al "waverider de conos osculantes", que desarrolla varias ondas de choque cónicas en diferentes puntos del cuerpo, mezclándolas para producir una única onda de choque con forma. La expansión a una gama más amplia de flujos de superficie de compresión permitió el diseño de waveriders con control del volumen, ^[5] la forma de la superficie superior, la integración del motor y la posición del centro de presión. Las mejoras de rendimiento y los análisis fuera de diseño continuaron hasta 1970. ^{[6] [7]}

Durante este período, se probó al menos un waverider en el campo de tiro Woomera Rocket Range , montado en la punta de un misil Blue Steel lanzado desde el aire , y se probaron varios fuselajes en el túnel de viento del Centro de Investigación Ames de la NASA . Sin embargo, durante la década de 1970, la mayor parte del trabajo en hipersónica desapareció, y con él el waverider. ^{[ cita requerida ]}

Una de las muchas diferencias entre el vuelo supersónico y el hipersónico se refiere a la interacción de la capa límite y las ondas de choque generadas por el morro del avión. Normalmente, la capa límite es bastante delgada en comparación con la línea de corriente del flujo de aire sobre el ala, y se puede considerar por separado de otros efectos aerodinámicos. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad y la onda de choque se acerca cada vez más a los lados de la aeronave, llega un punto en el que ambas comienzan a interactuar y el campo de flujo se vuelve muy complejo. Mucho antes de ese punto, la capa límite comienza a interactuar con el aire atrapado entre la onda de choque y el fuselaje, el aire que se utiliza para la sustentación en un waverider.

Calcular los efectos de estas interacciones estaba más allá de las capacidades de la aerodinámica hasta la introducción de la dinámica de fluidos computacional útil a partir de la década de 1980. En 1981, Maurice Rasmussen, de la Universidad de Oklahoma, inició un renacimiento de los waveriders al publicar un artículo sobre una nueva forma inferior en 3D que utilizaba estas técnicas. Estas formas tienen un rendimiento de sustentación superior y menos resistencia. Desde entonces, se han diseñado familias enteras de waveriders derivados de conos utilizando amortiguadores cónicos cada vez más complejos, basados ​​en un software más complejo. Este trabajo finalmente condujo a una conferencia en 1989, la Primera Conferencia Internacional de Waverider Hipersónicos , celebrada en la Universidad de Maryland.

Estas nuevas formas, los "waveriders viscosos optimizados", parecen similares a los diseños cónicos siempre que el ángulo de la onda de choque en el morro supere un ángulo crítico, unos 14 grados para un diseño Mach 6, por ejemplo. El ángulo del choque se puede controlar ensanchando el morro hasta formar una placa curva de un radio específico, y al reducir el radio se obtiene un ángulo de cono de choque más pequeño. El diseño del vehículo comienza seleccionando un ángulo determinado y luego desarrollando la forma de la carrocería que lo captura, repitiendo luego este proceso para diferentes ángulos. Para cualquier velocidad dada, una única forma generará los mejores resultados.

Durante el reingreso , los vehículos hipersónicos generan sustentación únicamente desde la parte inferior del fuselaje . La parte inferior, que está inclinada hacia el flujo en un ángulo de ataque alto , crea sustentación en reacción al empuje del flujo de aire hacia abajo por parte del vehículo. La cantidad de sustentación no es particularmente alta, en comparación con un ala tradicional , pero es más que suficiente para maniobrar dada la cantidad de distancia que cubre el vehículo.

La mayoría de los vehículos de reentrada se han basado en el diseño de reentrada de morro romo iniciado por Theodore von Kármán . ^{[ cita requerida ]} Demostró que una onda de choque se ve obligada a "desprenderse" de una superficie curva, forzada a salir a una configuración más grande que requiere una energía considerable para formarse. La energía gastada en la formación de esta onda de choque ya no está disponible en forma de calor, por lo que esta conformación puede reducir drásticamente la carga de calor en la nave espacial. Este diseño ha sido la base de casi todos los vehículos de reentrada desde entonces, ^{[ cita requerida ]} encontrados en los morros romos de las primeras ojivas de misiles balísticos intercontinentales , las bases de las diversas cápsulas de la NASA y el gran morro del transbordador espacial .

El problema con el sistema de morro romo es que el diseño resultante crea muy poca sustentación, lo que significa que el vehículo tiene problemas para maniobrar durante el reingreso. Si se supone que la nave espacial puede regresar a su punto de lanzamiento "a pedido", entonces se requerirá algún tipo de maniobra para contrarrestar el hecho de que la Tierra está girando debajo de la nave espacial mientras vuela. Después de una sola órbita baja terrestre , el punto de lanzamiento estará a más de 1000 km (600 mi) al este de la nave espacial cuando haya completado una órbita completa. Se dedicó una cantidad considerable de investigación a combinar el sistema de morro romo con alas, lo que llevó al desarrollo de los diseños de carrocerías sustentadoras en los EE. UU. ^{[ cita requerida ]}

Fue mientras trabajaba en uno de esos diseños que Nonweiler desarrolló el waverider. Observó que el desprendimiento de la onda de choque sobre los bordes de ataque romos de las alas del diseño de Armstrong-Whitworth permitiría que el aire en la parte inferior de la nave fluyera en el sentido de la envergadura y escapara hacia la parte superior del ala a través del espacio entre el borde de ataque y la onda de choque desprendida. Esta pérdida de flujo de aire reducía (hasta en una cuarta parte) la sustentación generada por el waverider, lo que dio lugar a estudios sobre cómo evitar este problema y mantener el flujo atrapado debajo del ala.

El diseño resultante de Nonweiler es un ala en delta con cierta cantidad de diedro negativo : las alas están dobladas hacia abajo desde el fuselaje hacia las puntas. Cuando se ve desde el frente, el ala se parece a un símbolo de intercalación () en sección transversal , y estos diseños se conocen a menudo como símbolos de intercalación. La versión 3D más moderna suele tener el aspecto de una letra "M" redondeada. En teoría, un waverider en forma de estrella ^{[ aclaración necesaria ]} con una sección transversal frontal de un "+" o "×" podría reducir la resistencia en otro 20%. La desventaja de este diseño es que tiene más área en contacto con la onda de choque y, por lo tanto, tiene problemas de disipación de calor más pronunciados .

Las Waveriders suelen tener morros y bordes de ataque afilados en las alas. La superficie de amortiguación inferior permanece unida a ellos. El aire que fluye a través de la superficie de amortiguación queda atrapado entre el amortiguador y el fuselaje, y solo puede escapar por la parte trasera del fuselaje. Con bordes afilados, se conserva toda la sustentación.

Aunque los bordes afilados se calientan mucho más que los redondeados a la misma densidad del aire, la elevación mejorada significa que los waveriders pueden planear al reingresar a altitudes mucho mayores donde la densidad del aire es menor. Una lista que clasificara varios vehículos espaciales en orden de calentamiento aplicado a la estructura del avión tendría las cápsulas en la parte superior (reingresando rápidamente con cargas de calentamiento muy altas), los waveriders en la parte inferior (perfiles de planeo extremadamente largos a gran altitud) y el transbordador espacial en algún lugar en el medio.

Los waveriders simples tienen problemas de diseño sustanciales. En primer lugar, los diseños obvios solo funcionan a un número de Mach particular , y la cantidad de sustentación capturada cambiará drásticamente a medida que el vehículo cambie de velocidad. Otro problema es que el waverider depende del enfriamiento radiativo , que es posible siempre que el vehículo pase la mayor parte del tiempo a altitudes muy elevadas. Sin embargo, estas altitudes también exigen un ala muy grande para generar la sustentación necesaria en el aire enrarecido, y esa misma ala puede volverse bastante difícil de manejar a altitudes y velocidades más bajas.

Debido a estos problemas, los waveriders no han encontrado el favor de los diseñadores aerodinámicos prácticos, a pesar del hecho de que podrían hacer que los vehículos hipersónicos de larga distancia sean lo suficientemente eficientes para transportar carga aérea .

Algunos investigadores ^{[¿ quiénes? ]} afirman de manera controvertida ^{[ cita requerida ]} que existen diseños que superan estos problemas. Un candidato para un waverider de múltiples velocidades es un "ala de caret", operada en diferentes ángulos de ataque. Un ala de caret es un ala delta con ranuras o láminas cónicas o triangulares longitudinales . Se parece mucho a un avión de papel o a un ala de rogallo . El ángulo de ataque correcto se volvería cada vez más preciso a números de Mach más altos, pero este es un problema de control que es teóricamente solucionable. Se dice que el ala funciona aún mejor si se puede construir con una malla ajustada, porque eso reduce su resistencia, al tiempo que mantiene la sustentación. Se dice que tales alas tienen el atributo inusual de operar en una amplia gama de números de Mach en diferentes fluidos con una amplia gama de números de Reynolds .

El problema de la temperatura se puede resolver con alguna combinación de una superficie transpirable , materiales exóticos y posiblemente tubos de calor . En una superficie transpirable, pequeñas cantidades de un refrigerante como el agua se bombean a través de pequeños orificios en la piel de la aeronave (ver transpiración y transpiración ). Este diseño funciona para los escudos de reentrada de naves espaciales Mach 25 y, por lo tanto, debería funcionar para cualquier aeronave que pueda soportar el peso del refrigerante. Los materiales exóticos como el compuesto de carbono-carbono no conducen el calor, sino que lo soportan, pero tienden a ser frágiles . Los tubos de calor no se usan ampliamente en la actualidad. Al igual que un intercambiador de calor convencional , conducen el calor mejor que la mayoría de los materiales sólidos, pero como un termosifón se bombean pasivamente. El Boeing X-51A se ocupa del calentamiento externo mediante el uso de un cono de morro de tungsteno y placas de escudo térmico estilo transbordador espacial en su panza. El calentamiento interno (del motor) se absorbe utilizando el combustible JP-7 como refrigerante antes de la combustión. ^[8] Otros materiales de alta temperatura, conocidos como materiales SHARP (normalmente diboruro de circonio y diboruro de hafnio ) se han utilizado en las paletas de dirección de los vehículos de reentrada de misiles balísticos intercontinentales desde la década de 1970, y se propone su uso en vehículos hipersónicos. Se dice que permiten el vuelo a Mach 11 a altitudes de 100.000 pies (30.000 m) y el vuelo a Mach 7 a nivel del mar. Estos materiales son estructuralmente más resistentes que el compuesto de carbono reforzado (RCC) utilizado en la nariz y los bordes de ataque del transbordador espacial, tienen propiedades de tolerancia a la radiación y a la temperatura más altas y no sufren problemas de oxidación contra los que el RCC necesita protegerse con revestimientos. ^{[9] [10]}

En 2023 se probó un material de superficie para vehículos waverider e hipersónicos ( Mach 5-10) desarrollado por científicos de la Academia China de Aerodinámica Aeroespacial (CAAA) en Beijing. ^[11]

Una alternativa desarrollada por RTX Corporation utiliza una membrana transpirable desarrollada en el marco de un trabajo respaldado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en virtud del contrato n.º FA8650-20-C-7001 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos ^[12].

• Índice de artículos sobre aviación

• Waveriders hipersónicos de Aerospace.org
• ASTRA Waverider de gbnet.net
• Accurate Automation Corporation, una empresa que ha construido varios modelos de waveriders, incluidos el LoFLYTE y el NASA X-43