Vectorización del empuje

El control vectorial de empuje , también conocido como TVC ( Thrust Vectoring Control ), es la capacidad de una aeronave , cohete u otro vehículo de manipular la dirección del empuje de su ( s) motor(es) para controlar la actitud o la velocidad angular del vehículo. ^{[1] [2] [3]}

En los cohetes y misiles balísticos que vuelan fuera de la atmósfera, las superficies de control aerodinámico son ineficaces, por lo que la vectorización del empuje es el principal medio de control de actitud . En la década de 1930, Robert Goddard utilizó álabes de escape y motores con cardán .

En el caso de las aeronaves, el método se concibió originalmente para proporcionar empuje vertical ascendente como un medio para dar a las aeronaves la capacidad de despegue y aterrizaje verticales ( VTOL ) o cortos ( STOL ). Posteriormente, se comprendió que el uso de empuje vectorial en situaciones de combate permitía a las aeronaves realizar diversas maniobras que no estaban disponibles para los aviones con motores convencionales. Para realizar virajes, las aeronaves que no utilizan vectorización de empuje deben confiar únicamente en superficies de control aerodinámicas, como alerones o elevadores ; las aeronaves con vectorización deben seguir utilizando superficies de control, pero en menor medida.

En la literatura sobre misiles que se origina en fuentes rusas, la vectorización del empuje se conoce como dirección dinámica de gas o control dinámico de gas . ^[4]

Nominalmente, la línea de acción del vector de empuje de una tobera de cohete pasa a través del centro de masa del vehículo , generando un par neto cero alrededor del centro de masa. Es posible generar momentos de cabeceo y guiñada desviando el vector de empuje principal del cohete de modo que no pase a través del centro de masa. Debido a que la línea de acción generalmente está orientada casi paralela al eje de alabeo , el control del alabeo generalmente requiere el uso de dos o más toberas articuladas por separado o un sistema completamente separado, como aletas o álabes en la columna de escape del motor del cohete, que desvían el empuje principal. El control del vector de empuje (TVC) solo es posible cuando el sistema de propulsión está creando empuje; se requieren mecanismos separados para el control de la actitud y la trayectoria de vuelo durante otras 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 fluido reactivo
• Propulsores auxiliares "Vernier"
• Paletas de escape, también conocidas como paletas de chorro

La vectorización del empuje de muchos cohetes de combustible líquido se logra mediante la colocación de cardán en todo el motor . Esto implica mover toda la cámara de combustión y la campana exterior del motor, como en los motores gemelos de la primera etapa del Titan II , o incluso todo el conjunto del motor, incluidas las bombas de combustible y oxidante relacionadas . El Saturno V y el transbordador espacial usaban motores con cardán. ^[5]

Un método posterior desarrollado para misiles balísticos de combustible sólido logra la vectorización del empuje desviando únicamente la boquilla del cohete mediante actuadores eléctricos o cilindros hidráulicos . La boquilla está unida al misil a través de una rótula con un orificio en el centro, o un sello flexible hecho de un material resistente al calor; este último generalmente requiere más torque y un sistema de actuación de mayor potencia. Los sistemas Trident C4 y D5 se controlan mediante una boquilla accionada hidráulicamente. Los SRB STS usaban boquillas cardánicas. ^[7]

Otro método de vectorización del empuje utilizado en misiles balísticos de combustible sólido es la inyección de líquido, en la que la tobera del cohete es fija, sin embargo, se introduce un fluido en el flujo de escape desde inyectores montados alrededor del extremo posterior del misil. Si el líquido se inyecta solo en un lado del misil, modifica ese lado de la columna de escape, lo que da como resultado un empuje diferente en ese lado y, por lo tanto, una fuerza neta asimétrica en el misil. Este fue el sistema de control utilizado en el Minuteman II y los primeros SLBM de la Armada de los Estados Unidos .

Un efecto similar al de la vectorización del empuje se puede producir con múltiples propulsores vernier , pequeñas cámaras de combustión auxiliares que carecen de sus propias turbobombas y pueden cardarse sobre un eje. Estos se utilizaron en los misiles Atlas y R-7 y todavía se utilizan en el cohete Soyuz , que desciende del R-7, pero rara vez se utilizan en nuevos diseños debido a su complejidad y peso. Estos son distintos de los propulsores del sistema de control de reacción , que son motores de cohetes fijos e independientes que se utilizan para maniobrar en el espacio.

Uno de los primeros métodos de vectorización del empuje en los motores de cohetes fue colocar álabes en la corriente de escape del motor. Estos álabes de escape o 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 del alabeo con un solo motor, algo que no hace el cardán de la tobera. El V-2 usaba 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 proporcionan un ejemplo moderno de álabes de chorro. Los álabes de chorro deben estar hechos de un material refractario o enfriarse activamente para evitar que se derritan. Sapphire usaba álabes de cobre sólido por la alta capacidad calorífica y conductividad térmica del cobre, y Nexo usaba grafito por su alto punto de fusión, pero a menos que se enfríen activamente, los álabes de chorro sufrirán una erosión significativa. Esto, combinado con la ineficiencia de los álabes de chorro, en su mayoría impide su uso en nuevos cohetes.

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

Al utilizar paletas mecánicas para desviar el escape del motor cohete del misil, este puede dirigirse por sí solo incluso poco después de ser lanzado (cuando el misil se mueve lentamente, antes de haber alcanzado una alta velocidad). Esto se debe a que, aunque el misil se mueve a baja velocidad, el escape del motor cohete tiene una velocidad lo suficientemente alta como para proporcionar fuerzas suficientes sobre las paletas mecánicas. Por lo tanto, la vectorización del empuje puede reducir el alcance mínimo de un misil. Por ejemplo, los misiles antitanque como el Eryx y el PARS 3 LR utilizan vectorización del empuje por este motivo. ^[8]

Algunos otros proyectiles que utilizan vectorización de empuje:

• 9M330 ^[9]
• El proyectil de mortero Strix utiliza doce cohetes propulsores laterales en la sección media para proporcionar correcciones terminales del curso ^[8]
• AAD utiliza álabes de chorro
• Astra (misil) ^[10]
• Akash (misil) ^[11]
• BrahMos ^[12]
• QRSAM utiliza álabes de chorro
• El MPATGM utiliza álabes de chorro
• AAM-5
• Barak 8 utiliza álabes de reacción
• A-Darter utiliza álabes de reacción
• ASRAAM utiliza álabes de reacción
• El misil R-73 utiliza álabes a reacción
• El HQ-9 utiliza álabes a reacción
• El PL-10 (ASR) utiliza álabes de reacción
• El MICA (misil) utiliza álabes a reacción
• PARS 3 LR utiliza álabes de chorro
• IRIS-T
• La familia de misiles Aster combina el control aerodinámico y el control vectorial de empuje directo denominado "PIF-PAF"
• El AIM-9X utiliza cuatro álabes dentro del escape, que se mueven a medida que se mueven las aletas.
• El 9M96E utiliza un sistema de control dinámico de gas que permite maniobrar a altitudes de hasta 35 km con fuerzas de más de 20 g , lo que permite el ataque de misiles balísticos no estratégicos. ^[13]
• El Iskander 9K720 se controla durante todo el vuelo con superficies de control aerodinámicas y dinámicas de gas.
• Misiles balísticos de las subclases Dongfeng / JL-2 / JL-3 (supuestamente equipados con control TVC) ^[14]

La mayoría de los aviones de empuje vectorial que se encuentran en funcionamiento actualmente utilizan turbofán con toberas o álabes giratorios para desviar el flujo de escape. Este método permite que los diseños desvíen el empuje hasta 90 grados con respecto a la línea central del avión. Si un avión utiliza empuje vectorial para operaciones VTOL, el motor debe dimensionarse para sustentación vertical, en lugar de vuelo normal, lo que resulta en una penalización de peso. La postcombustión (o combustión en cámara de distribución, PCB, en el flujo de derivación) es difícil de incorporar y no es práctica para el empuje vectorial de despegue y aterrizaje, porque el escape muy caliente 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.

Aviones con rotor basculante que impulsan el empuje vectorial a través de las góndolas de los motores turbohélice giratorios . Las complejidades mecánicas de este diseño son bastante problemáticas, ya que incluyen la torsión de los componentes internos flexibles y la transferencia de potencia del eje de transmisión entre los motores. La mayoría de los diseños de rotor basculante actuales cuentan con dos rotores en una configuración de lado a lado. Si una aeronave de este tipo se vuela de manera que entre en un estado de anillo de vórtice , uno de los rotores siempre entrará ligeramente antes que el otro, lo que hará que la aeronave realice un giro drástico e imprevisto.

La vectorización de 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. ^[15] Más tarde se utilizó en el HMA (His Majesty's Airship) No. 9r , un dirigible rígido británico que voló por primera vez en 1916 ^[16] y los dirigibles rígidos gemelos de la Marina de los EE. UU. de la década de 1930 USS Akron y USS Macon que se usaron como portaaviones en el aire , y una forma similar de vectorización de empuje también es particularmente valiosa hoy en día para el control de dirigibles no rígidos modernos . En este uso, la mayor parte de la carga generalmente está soportada por flotabilidad y el empuje vectorial 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 que incorporaba vectorización del empuje; los dibujos de Walwyn se conservan en la Biblioteca Aeroespacial Nacional de Farnborough. ^[17] El interés oficial se redujo cuando se supo que el diseñador era un paciente de un hospital psiquiátrico. ^{[ cita requerida ]}

Actualmente, se está investigando el sistema de vectorización de empuje fluídico (FTV) que desvía el empuje a través de inyecciones fluídicas secundarias. ^[18] Las pruebas muestran que el aire forzado en la corriente 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 parte o superficie móvil, menos mantenimiento) y sección transversal de radar para sigilo . Es probable que esto se use en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de combate de sexta generación .

El control de vuelo con vectorización de empuje (TVFC) se obtiene mediante la desviación de los chorros de la aeronave en algunas o todas las direcciones de cabeceo, guiñada y alabeo. En casos extremos, la desviación de los chorros en la guiñada, el cabeceo y el alabeo crea fuerzas y momentos deseados que permiten un control direccional completo de la trayectoria de vuelo de la aeronave sin la implementación de los controles de vuelo aerodinámicos convencionales (CAFC). El TVFC también se puede utilizar para mantener el vuelo estacionario en áreas de la envolvente de vuelo donde las principales superficies aerodinámicas están en pérdida. ^[19] El TVFC incluye el control de aeronaves STOVL durante el vuelo estacionario y durante la transición entre el vuelo estacionario y las velocidades de avance por debajo de los 50 nudos donde las superficies aerodinámicas son ineficaces. ^[20]

Cuando el control de empuje vectorial utiliza un único chorro propulsor, como en el caso de un avión monomotor, puede que no sea posible producir momentos de balanceo. Un ejemplo es una tobera supersónica con postcombustión, en la que las funciones de la tobera son el área de la garganta, el área de salida, la vectorización del cabeceo y la vectorización de la guiñada. Estas funciones están controladas por cuatro actuadores independientes. ^[19] Una variante más sencilla que utilice sólo tres actuadores no tendría control independiente del área de salida. ^[19]

Cuando se implementa el TVFC para complementar el CAFC, se maximizan la agilidad y la seguridad de la aeronave. Puede haber una mayor seguridad en caso de que el CAFC funcione mal como resultado de un daño en batalla. ^[19]

Para implementar la TVFC se puede aplicar una variedad de boquillas, tanto mecánicas como fluídicas. Esto incluye boquillas convergentes y convergente-divergentes que pueden ser fijas o geométricamente variables. También incluye mecanismos variables dentro de una boquilla fija, como cascadas giratorias ^[21] y álabes de salida giratorios. ^[22] Dentro de estas boquillas de aeronaves, la geometría en sí puede variar de bidimensional (2-D) a axisimétrica o elíptica. La cantidad de boquillas en una aeronave determinada para lograr la TVFC puede variar de una en una aeronave CTOL a un mínimo de cuatro en el caso de una aeronave STOVL. ^[20]

Axisimétrico

Boquillas con salidas circulares.

Control de vuelo aerodinámico convencional (CAFC)

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

Tobera convergente-divergente (CD)

Generalmente se utiliza en aviones a reacción supersónicos donde la relación de presión de la boquilla (NPR) > 3. El escape del motor se expande a través de una sección convergente para lograr Mach 1 y luego se expande a través de una sección divergente para lograr una velocidad supersónica en el plano de salida, o menos en NPR bajo. ^[23]

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 en NPR bajo. ^[23]

Ángulo de vectorización efectivo

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

Boquilla fija

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

Vectorización de empuje fluídico

La manipulación o control del flujo de escape con el uso de una fuente de aire secundaria, típicamente aire purgado del compresor o ventilador del motor. ^[24]

Ángulo de vectorización geométrica

Línea central geométrica de la boquilla durante la vectorización. En el caso de las boquillas vectorizadas en la garganta geométrica y más allá, esto puede diferir considerablemente del ángulo de vectorización efectivo.

Boquilla de conducto giratoria de tres cojinetes (3BSD ^[20] )

Tres segmentos en ángulo del conducto de escape del motor giran uno respecto del otro alrededor de la línea central del conducto para producir el cabeceo y la guiñada del eje de empuje de la boquilla. ^[25]

Tridimensional (3-D)

Boquillas con control multieje o de paso y guiñada. ^[19]

Vectorización de empuje (TV)

La desviación del chorro respecto 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 proviene de un motor turbofán que respira 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 de solo paso, en cuyo caso se incluyen las boquillas redondas. ^[19]

Convergencia-divergencia bidimensional (CD 2-D)

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

Boquilla variable

Una tobera de empuje vectorial de geometría variable que mantiene una relación de área de tobera efectiva constante o que permite una relación variable durante la vectorización. También se la denominará tobera de un avión militar, ya que representa el control de empuje vectorial de la tobera aplicable a los aviones de combate y otros aviones supersónicos con postcombustión. La sección convergente puede controlarse completamente y la sección divergente puede seguir una relación predeterminada con el área de garganta convergente. ^[19] Alternativamente, el área de garganta y el área de salida pueden controlarse de forma independiente, para permitir que la sección divergente coincida con la condición de vuelo exacta. ^[19]

Razones de áreas geométricas

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

Relaciones de área efectiva

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

Relaciones de áreas diferenciales

Maximizar la eficiencia de expansión de la boquilla generalmente mediante la predicción del área efectiva óptima en función del caudal másico.

Tipo I

Boquillas cuyo bastidor base gira mecánicamente frente a la garganta geométrica.

Tipo II

Boquillas cuyo bastidor base gira mecánicamente en la garganta geométrica.

Tipo III

Boquillas cuyo bastidor base no gira, sino que se les añaden paletas o álabes de deflexión mecánica posteriores a la salida para desviar el chorro.

Tipo IV

Desviación de chorros mediante corrientes de chorro auxiliares que fluyen en contracorriente o en paralelo (mediante control del vector de choque o desplazamiento de garganta) ^[24] . Desviación de chorros basada en fluidos mediante inyección de fluidos secundaria. ^[24]

Tipo adicional

Boquillas cuyo conducto de escape ascendente consta de segmentos en forma de cuña que giran entre sí alrededor de la línea central del conducto. ^{[20] [25] [26]}

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 de producción occidentales 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 vectorización de empuje 2D y postcombustión . ^[27]

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

El Sukhoi Su-30MKI , producido por la India bajo licencia en Hindustan Aeronautics Limited , está en servicio activo en la Fuerza Aérea de la India . El TVC hace que el avión sea muy maniobrable, capaz de alcanzar una velocidad aerodinámica cercana a cero en ángulos de ataque altos sin entrar en pérdida y realizar acrobacias dinámicas a bajas velocidades. El Su-30MKI está propulsado por dos turbofán con postcombustión Al-31FP . Las toberas TVC del MKI están montadas 32 grados hacia afuera respecto del eje longitudinal del motor (es decir, en el plano horizontal) y se pueden desviar ±15 grados en el plano vertical. Esto produce un efecto sacacorchos , mejorando en gran medida la capacidad de giro del avión. ^[28]

Algunos estudios computarizados añaden vectorización de empuje a los 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 jet en el futuro. ^[29]

Entre los ejemplos de cohetes y misiles ^[30] que utilizan vectorización de empuje se incluyen sistemas de gran tamaño, como el cohete propulsor sólido (SRB) del transbordador espacial , 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 dirección rápida por chorro de agua que proporciona una agilidad superior. Algunos ejemplos son el patrullero rápido Dvora Mk-III , el barco misilístico de clase Hamina y los buques de combate litoral de la Armada de los EE. UU . ^[29]

La vectorización del empuje puede ofrecer dos ventajas principales: despegue vertical/desplazamiento vertical y mayor maniobrabilidad. Las aeronaves suelen optimizarse para aprovechar al máximo una de las ventajas, aunque ganarán en la otra.

• Campana modelo 65
• Campana X-14
• Avión Bell Boeing V-22 Osprey
• Boeing X-32 ^[31]
• Dornier Do 31
• EWR VJ101

• 

  Avión de salto Harrier
  • Harrier II de la Aeronáutica Británica
  • Avión Sea Harrier de la Aeronáutica Británica
  • Hawker Siddeley Harrier
  • McDonnell Douglas AV-8B Harrier II
• Cernícalo de Hawker Siddeley
• Hawker Siddeley Pág. 1127
• Lockheed Martin F-35B Lightning II
• Avión de guerra VAK 191B
• Yakovlev Yak-38
• Yakovlev Yak-141

• McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD (experimental)
• Lockheed Martin F-22 Raptor (solo cabeceo) ^[32]
• Chengdu J-20 (variantes anteriores con WS-10C , ^[33] cabeceo y balanceo)
• McDonnell Douglas X-36 (sólo orientación) ^[31]
• Boeing X-45A (sólo orientación)
• El Me 163 B utilizó experimentalmente una paleta de dirección de cohete para el eje de guiñada.
• Sukhoi Su-30MKI / MKM / MKA / SM (cabeceo y balanceo)
• Sukhoi Su-35S

• McDonnell Douglas F-15 ACTIVO (experimental)
• Mitsubishi X-2 (experimental)
• McDonnell Douglas F-18 HARV (experimental)
• General Dynamics F-16 VISTA (experimental)
• Rockwell-MBB X-31 (experimental)
• Banco de pruebas del Chengdu J-10B TVC (experimental)
• Mikoyan MiG-35 (MiG-29OVT, avión que no se encuentra en producción)
• Sukhoi Su-37 (demostrador)
• Sukhoi Su-47 (experimental)
• Sukhoi Su-57

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

• Sikorsky XV-2
• NOTARIA

8. Wilson, Erich A., "Introducción a las toberas de aviones con vector de empuje", ISBN 978-3-659-41265-3 

• Aplicación de vectorización de empuje para reducir el tamaño vertical de la cola
• Medios relacionados con Vectorización de empuje en Wikimedia Commons