Mach tuck
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El efecto de Mach tuck es un efecto aerodinámico por el cual el morro de un avión tiende a inclinarse hacia abajo a medida que el flujo de aire alrededor del ala alcanza velocidades supersónicas . Esta tendencia a inclinarse hacia abajo también se conoce como "tuck under" [1] . El avión experimentará este efecto por primera vez a velocidades significativamente inferiores a Mach 1. [2]
Causas
El movimiento de Mach tuck suele deberse a dos factores: un movimiento hacia atrás del centro de presión del ala y una disminución de la velocidad de la corriente descendente del ala en el plano de cola , ambos factores que provocan un momento de cabeceo hacia abajo. [ cita requerida ] En el caso de un diseño de aeronave en particular, solo uno de estos factores puede ser significativo para provocar una tendencia a descender en picado — por ejemplo, una aeronave de ala delta sin plano delantero ni plano de cola en el primer caso, y el Lockheed P-38 [3] en el segundo caso. Alternativamente, un diseño en particular puede no tener una tendencia significativa, como el Fokker F28 Fellowship . [4]
A medida que un perfil aerodinámico genera sustentación, el aire que fluye sobre la superficie superior se acelera a una velocidad local mayor que el aire que fluye sobre la superficie inferior. Cuando la velocidad de la aeronave alcanza su número de Mach crítico, el flujo de aire acelerado alcanza localmente la velocidad del sonido y crea una pequeña onda de choque, aunque la aeronave todavía esté viajando por debajo de la velocidad del sonido. [5] La región frente a la onda de choque genera una gran sustentación. A medida que la aeronave vuela más rápido, la onda de choque sobre el ala se hace más fuerte y se mueve hacia atrás, creando una gran sustentación más atrás a lo largo del ala. Es este movimiento de sustentación hacia atrás lo que hace que la aeronave se incline o incline el morro hacia abajo.
La severidad del ajuste de Mach en cualquier diseño determinado se ve afectada por el grosor del perfil aerodinámico, el ángulo de barrido del ala y la ubicación del plano de cola en relación con el ala principal.
Un plano de cola ubicado más atrás puede proporcionar un momento de cabeceo estabilizador mayor.
La curvatura y el grosor del perfil aerodinámico afectan el número de Mach crítico; una superficie superior más curvada provoca un número de Mach crítico más bajo.
En un ala en flecha, la onda de choque se forma generalmente primero en la raíz del ala , especialmente si está más curvada que la punta del ala . A medida que aumenta la velocidad, la onda de choque y la sustentación asociada se extienden hacia afuera y, debido a que el ala está en flecha, hacia atrás.
El flujo de aire cambiante sobre el ala puede reducir la corriente descendente sobre un plano de cola convencional, promoviendo un momento de cabeceo hacia abajo más fuerte.
Otro problema de un estabilizador horizontal independiente es que puede generar un flujo supersónico local con su propia onda de choque, lo que puede afectar al funcionamiento de una superficie de control de ascensor convencional.
Las aeronaves sin suficiente autoridad del elevador para mantener el equilibrio y volar niveladas pueden entrar en una caída abrupta, a veces irrecuperable. [6] Hasta que la aeronave sea supersónica, la onda de choque superior más rápida puede reducir la autoridad del elevador y los estabilizadores horizontales . [7]
Dependiendo del diseño de la aeronave, puede ocurrir o no un mach tuck. Muchas aeronaves modernas tienen poco o ningún efecto. [8]
Recuperación
La recuperación a veces es imposible en aeronaves subsónicas; sin embargo, a medida que una aeronave desciende a un aire más bajo, más cálido y más denso, la autoridad de control (es decir, la capacidad de controlar la aeronave) puede regresar porque la resistencia tiende a desacelerar la aeronave mientras que la velocidad del sonido y la autoridad de control aumentan.
Para evitar que la pérdida de Mach progrese, el piloto debe mantener la velocidad aerodinámica por debajo del número de Mach crítico del tipo reduciendo el empuje , extendiendo los frenos de aire y, si es posible, extendiendo el tren de aterrizaje .
Características de diseño
Se utilizan varias técnicas de diseño para contrarrestar los efectos del efecto Mach tuck.
Tanto en las configuraciones de cola convencional como de plano delantero canard , el estabilizador horizontal puede hacerse lo suficientemente grande y potente como para corregir los grandes cambios de compensación asociados con el encogimiento de Mach. En lugar de la superficie de control del elevador convencional, todo el estabilizador puede hacerse móvil o "de vuelo completo", a veces llamado estabilizador . Esto aumenta la autoridad del estabilizador en un rango más amplio de cabeceo de la aeronave, pero también evita los problemas de controlabilidad asociados con un elevador separado. [7]
Las aeronaves que vuelan a velocidad supersónica durante largos períodos, como el Concorde , pueden compensar la reducción de Mach moviendo combustible entre los tanques del fuselaje para cambiar la posición del centro de masa para que coincida con la ubicación cambiante del centro de presión, minimizando así la cantidad de ajuste aerodinámico requerido.
Un trimer de Mach es un dispositivo que varía el ajuste de cabeceo automáticamente en función del número de Mach para oponerse al encogimiento de Mach y mantener el vuelo nivelado.
Historia
Los cazas más rápidos de la Segunda Guerra Mundial fueron los primeros aviones que experimentaron el efecto Mach tuck. Sus alas no estaban diseñadas para contrarrestarlo porque la investigación sobre perfiles aerodinámicos supersónicos apenas estaba comenzando; en el ala había áreas de flujo supersónico, junto con ondas de choque y separación de flujo [9] . Esta condición se conocía en ese momento como burbujeo de compresibilidad y se sabía que existía en las puntas de las hélices a altas velocidades de los aviones. [10]
El P-38 fue uno de los primeros cazas que alcanzaba los 640 km/h y sufrió más problemas iniciales que los habituales. [11] Tenía un ala gruesa de alta sustentación, dos brazos distintivos y una única góndola central que contenía la cabina y el armamento. Aceleraba rápidamente hasta la velocidad terminal en picado. El fuselaje corto y rechoncho tenía un efecto perjudicial al reducir el número de Mach crítico de la sección central del ala, con un espesor del 15 %, y las altas velocidades sobre la cubierta se sumaban a las de la superficie superior del ala. [12] El Mach tuck se producía a velocidades superiores a Mach 0,65; [3] el flujo de aire sobre la sección central del ala se volvía transónico , lo que provocaba una pérdida de sustentación. El cambio resultante en la corriente descendente en la cola provocaba un momento de cabeceo con el morro hacia abajo y el picado se hacía más pronunciado (Mach tuck). El avión era muy estable en estas condiciones [3], lo que dificultaba mucho la recuperación del picado.
Se agregaron flaps de recuperación de picado (auxiliares) [13] a la parte inferior del ala (P-38J-LO) para aumentar la sustentación del ala y la corriente descendente en la cola para permitir la recuperación de picados transónicos.
Referencias
- ^ Aerodinámica para aviadores navales, Hurt, revisado en enero de 1965, publicado por la Oficina del Jefe de Operaciones Navales, División de Entrenamiento de Aviación, pág. 219
- ^ Manual del piloto sobre conocimientos aeronáuticos. Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos, Washington DC: Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos. 2003. págs. 3–37 a 3–38. FAA-8083-25.
- ^ abc Erickson, Albert (25 de septiembre de 2020). "Investigación de los momentos de conducción de un avión de persecución en el túnel de viento de alta velocidad de 16 pies de Ames" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 25 de septiembre de 2020. Consultado el 21 de diciembre de 2020 .
- ^ Obert, Ed (2009). «Diseño aerodinámico de aeronaves de transporte» (PDF) . Archivado (PDF) del original el 15 de abril de 2020. Consultado el 21 de noviembre de 2020 .
- ^ Clancy, LJ (1975) Aerodinámica , sección 11.10, Pitman Publishing Limited, Londres. ISBN 0 273 01120 0
- ^ Manual de vuelo en avión. Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos, Washington DC: Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos. 2004. págs. 15–7 a 15–8. FAA-8083-3A.
- ^ ab Transonic Aircraft Design Archivado el 14 de junio de 2007 en Wayback Machine.
- ^ "Sobre el accidente del Airbus A330-203 ocurrido el 1 de junio de 2009" (PDF) . bea.aero . julio de 2012 . Consultado el 28 de marzo de 2023 .
- ^ Anderson, John D. Jr. Introducción al vuelo , tercera edición, McGraw Hill Book Company, ISBN 0-07-001641-0 , Figura 5.17 punto c y Figura 5.20
- ^ Stack, John (octubre de 1935). "The Compressibility Burble" (PDF) . NACA . Archivado (PDF) del original el 15 de abril de 2020 . Consultado el 21 de noviembre de 2020 .
- ^ Bodie, Warren M. El Lockheed P-38 Lightning: La historia definitiva del caza P-38 de Lockheed . Hayesville, Carolina del Norte: Widewing Publications, 2001, 1991. ISBN 0-9629359-5-6 .
- ^ Axelson, John (4 de septiembre de 1947). «Longitudinal Stability and Control of High-Speed Airplanes with Particular Reference to Dive Recovery» (PDF) . NACA . Archivado (PDF) del original el 24 de septiembre de 2020. Consultado el 21 de noviembre de 2020 .
- ^ Abzug y Larrabee, Estabilidad y control de aviones , Cambridge University Press 2002, ISBN 0-521-02128-6 , pág. 165
Este artículo incorpora material de dominio público de Airplane Flying Handbook. Gobierno de los Estados Unidos . Este artículo incorpora material de dominio público del Manual del piloto sobre conocimientos aeronáuticos. Gobierno de los Estados Unidos .
