Solapa soplada - Blown flap
Los flaps soplados , o flaps jet , son dispositivos aerodinámicos de gran sustentación que se utilizan en las alas de ciertas aeronaves para mejorar sus características de vuelo a baja velocidad. Usan aire soplado a través de boquillas para dar forma al flujo de aire sobre el borde trasero del ala, dirigiendo el flujo hacia abajo para aumentar el coeficiente de sustentación . Hay una variedad de métodos para lograr este flujo de aire, la mayoría de los cuales utilizan escape de chorro o aire a alta presión extraído del compresor de un motor a reacción y luego redirigido para seguir la línea de aletas del borde de salida .
Los flaps soplados pueden referirse específicamente a aquellos sistemas que utilizan conductos internos dentro del ala para dirigir el flujo de aire, o más ampliamente a sistemas como sistemas de soplado de la superficie superior o sistemas de boquillas en motores convencionales debajo del ala que dirigen el aire a través de los flaps. Los flaps soplados son una solución entre una categoría más amplia conocida como levantamiento motorizado , que también incluye varios sistemas de control de capa límite , sistemas que utilizan lavado de hélice dirigido y alas de control de circulación .
En la década de 1960, se utilizaron flaps de soplado interno en algunos aviones rápidos terrestres y basados en portaaviones, incluidos el Lockheed F-104 , Blackburn Buccaneer y ciertas versiones del Mikoyan-Gurevich MiG-21 . Por lo general, cayeron en desgracia porque impusieron una sobrecarga de mantenimiento significativa para mantener los conductos limpios y varios sistemas de válvulas funcionando correctamente, junto con la desventaja de que una falla del motor reducía la elevación precisamente en la situación donde más se deseaba. El concepto reapareció en forma de soplado superior e inferior en varios aviones de transporte , tanto turbohélice como turbofan.
Mecanismo
En un flap soplado convencional, una pequeña cantidad del aire comprimido producido por el motor a reacción se "purga" en la etapa del compresor y se canaliza a los canales que corren a lo largo de la parte trasera del ala. Allí, es forzado a través de ranuras en los flaps de la aeronave cuando los flaps alcanzan ciertos ángulos. La inyección de aire de alta energía en la capa límite produce un aumento en el ángulo de ataque de pérdida y el coeficiente de sustentación máximo al retrasar la separación de la capa límite del perfil aerodinámico . El control de la capa límite mediante inyección de masa (soplado) evita la separación de la capa límite al suministrar energía adicional a las partículas de fluido que se están retrasando en la capa límite . Por lo tanto, inyectar una masa de aire a alta velocidad en la corriente de aire esencialmente tangente a la superficie de la pared del perfil aerodinámico invierte la desaceleración por fricción de la capa límite, por lo que se retrasa la separación de la capa límite.
La sustentación de un ala se puede aumentar considerablemente con el control de flujo de soplado . Con ranuras mecánicas, la capa límite natural limita la presión de control de la capa límite a la altura total de la corriente libre. Soplar con una pequeña proporción del flujo de aire del motor (aleta interna soplada) aumenta la sustentación. El uso de cantidades mucho mayores de gas del escape del motor, lo que aumenta la cuerda efectiva de la aleta (la aleta de chorro), produce supercirculación o circulación forzada hasta el máximo de flujo potencial teórico. Superar este límite requiere la adición de empuje directo.
El desarrollo del concepto general continuó en la NASA en las décadas de 1950 y 1960, lo que dio lugar a sistemas simplificados con un rendimiento similar. La aleta soplada externamente hace que el motor sople a través de las aletas en la parte trasera del ala. Parte del escape del chorro es desviado hacia abajo directamente por la aleta, mientras que el aire adicional viaja a través de las ranuras de la aleta y sigue el borde exterior debido al efecto Coanda . El sistema de soplado de la superficie superior similar organiza los motores sobre el ala y se basa completamente en el efecto Coanda para redirigir el flujo de aire. Aunque no son tan eficaces como el soplado directo, estos sistemas de "elevación motorizada" son, sin embargo, bastante potentes y mucho más sencillos de construir y mantener.
Un concepto de control de flujo de tipo soplado más reciente y prometedor es la inyección de fluido a contraflujo, que puede ejercer un control de alta autoridad en los flujos globales utilizando modificaciones de baja energía en las regiones de flujo clave. En este caso, la hendidura de soplado de aire está ubicada en el lado de presión cerca de la ubicación del punto de estancamiento del borde de ataque y el flujo de aire de control se dirige tangencialmente a la superficie pero con una dirección hacia adelante. Durante el funcionamiento de un sistema de control de flujo de este tipo están presentes dos efectos diferentes. Un efecto, la mejora de la capa límite , es causado por el aumento de los niveles de turbulencia lejos de la región de la pared, transportando así un flujo exterior de mayor energía a la región de la pared. Además de ese otro efecto, el efecto de modelado virtual , se utiliza para espesar aerodinámicamente el perfil aerodinámico en ángulos de ataque altos . Ambos efectos ayudan a retrasar o eliminar la separación del flujo .
En general, los flaps soplados pueden mejorar la sustentación de un ala de dos a tres veces. Mientras que un complejo sistema de aletas de triple ranura en un Boeing 747 produce un coeficiente de sustentación de aproximadamente 2,45, el soplado externo (soplado de la superficie superior en un YC-14 ) mejora esto a aproximadamente 7, y el soplado interno (aleta de chorro en Hunting H.126 ) a 9.
Historia
Williams afirma que se realizaron algunas pruebas de soplado de flaps en la RAE antes de la Segunda Guerra Mundial y que se realizaron pruebas exhaustivas durante la guerra en Alemania, incluidas pruebas de vuelo con aviones Arado 232, Do-24 y Bf 109. Lachmann afirma que los aviones Arado y Dornier utilizaron un solo flujo de aire impulsado por un eyector que fue succionado sobre parte del tramo del borde de salida y soplado sobre el resto. El eyector se accionó químicamente utilizando vapor de alta presión. El Bf 109 utiliza sopladores accionados por motor para el soplado de aletas.
Rebuffet y Poisson-Quinton describen pruebas en Francia en ONERA después de la guerra con succión combinada en la parte inferior de la primera sección de la aleta y soplando en la segunda sección de la aleta utilizando un eyector de purga de compresor de motor a reacción para succionar y soplar. Las pruebas de vuelo se realizaron en un avión Breguet Vultur .
WH Paine también realizó pruebas en Westland Aircraft después de la guerra con informes de 1950 y 1951.
En los Estados Unidos, se modificó un Grumman F9F Panther con soplado de aletas basado en el trabajo realizado por John Attinello en 1951. Se utilizó la purga del compresor del motor. El sistema se conocía como "Control de capa límite de supercirculación" o BLC para abreviar.
Entre 1951 y 1955, Cessna realizó pruebas de soplado de flaps en aviones Cessna 309 y 319 utilizando el sistema Arado.
Durante las décadas de 1950 y 1960, los aviones de combate generalmente evolucionaron hacia alas más pequeñas para reducir la resistencia a altas velocidades. En comparación con los cazas de una generación anterior, tenían cargas en las alas aproximadamente cuatro veces más altas; por ejemplo, el Supermarine Spitfire tenía una carga alar de 24 lb / ft 2 (117 kg / m 2 ) y el Messerschmitt Bf 109 tenía una carga "muy alta" de 30 lb / ft 2 (146 kg / m 2 ) , mientras que el El F-104 Starfighter de la década de 1950 tenía 111 lb / ft 2 (542 kg / m 2 ) .
Una desventaja seria de estas cargas de ala más altas es a baja velocidad, cuando no queda suficiente ala para proporcionar sustentación y mantener el avión volando. Incluso los flaps enormes no pudieron compensar esto en gran medida y, como resultado, muchas aeronaves aterrizaron a velocidades bastante altas y, como resultado, se notaron por accidentes.
La principal razón por la que los flaps no eran efectivos es que el flujo de aire sobre el ala solo podía "doblarse tanto" antes de que dejara de seguir el perfil del ala, una condición conocida como separación de flujo . Existe un límite en la cantidad de aire que los flaps pueden desviar en general. Hay formas de mejorar esto mediante un mejor diseño de las solapas; Los aviones de pasajeros modernos utilizan, por ejemplo, complejos flaps de varias partes. Sin embargo, los flaps grandes tienden a agregar una complejidad considerable y ocupan espacio en el exterior del ala, lo que los hace inadecuados para su uso en un caza.
El principio del flap jet, un tipo de flap soplado internamente, fue propuesto y patentado en 1952 por el British National Gas Turbine Establishment (NGTE) y posteriormente investigado por NGTE y Royal Aircraft Establishment . El concepto se probó por primera vez a gran escala en el Hunting H.126 experimental . Redujo la velocidad de pérdida a solo 32 mph (51 km / h), un número que la mayoría de los aviones ligeros no pueden igualar. La aleta de chorro utilizó un gran porcentaje del escape del motor, en lugar del aire de purga del compresor, para soplar.
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Uno de los primeros aviones de producción con flaps rotos fue el Lockheed F-104 Starfighter que entró en servicio en enero de 1958. Después de prolongados problemas de desarrollo, el BLCS demostró ser enormemente útil para compensar la diminuta superficie del ala del Starfighter. El Lockheed T2V SeaStar , con flaps quemados, había entrado en servicio en mayo de 1957 pero iba a tener problemas de mantenimiento persistentes con el BLCS que llevaron a su retiro anticipado. En junio de 1958 entró en servicio el Supermarine Scimitar con flaps soplados. Se utilizaron flaps soplados en el North American Aviation A-5 Vigilante , el Vought F-8 Crusader variantes E (FN) y J, el McDonnell Douglas F-4 Phantom II y el Blackburn Buccaneer . El Mikoyan-Gurevich MiG-21 y Mikoyan-Gurevich MiG-23 habían volado los flaps. Petrov afirma que la operación a largo plazo de estos aviones mostró una alta confiabilidad de los sistemas BLC. El TSR-2 , que fue cancelado antes de entrar en servicio, tenía flaps en toda su extensión.
A partir de la década de 1970, las lecciones del combate aéreo sobre Vietnam cambiaron considerablemente la forma de pensar. En lugar de aviones diseñados para la velocidad absoluta, la maniobrabilidad general y la capacidad de carga se volvieron más importantes en la mayoría de los diseños. El resultado es una evolución hacia formas en planta más grandes para proporcionar más sustentación. Por ejemplo, el F-16 tiene una carga alar de 78,5 lb / ft 2 (383 kg / m 2 ) y utiliza extensiones de borde de ataque para proporcionar una sustentación considerablemente mayor en ángulos de ataque más altos , incluida la aproximación y el aterrizaje. Algunos aviones de combate posteriores lograron las características requeridas de baja velocidad utilizando alas oscilantes . El soplado de aletas internas todavía se usa para complementar las aletas sopladas externamente en el Shin Meiwa US-1A .
Algunas aeronaves actualmente (2015) en servicio que requieren un desempeño STOL usan flaps externos y, en algunos casos, también usan flaps internos en flaps, así como en superficies de control como el timón para asegurar un control y estabilidad adecuados a bajas velocidades. Los conceptos de soplado externo se conocen como "flap soplado externamente" (usado en el C-17 Globemaster ), "soplado de superficie superior" (usado en el An-72 y An-74 ) y "corriente de deslizamiento vectorial", o "sobre el ala soplado ", utilizado en el An-70 y el Shin Meiwa US-1A y ShinMaywa US-2 .
Los sistemas motorizados de alta sustentación, como los flaps soplados externamente, no se utilizan para aviones de transporte civil por razones dadas por Reckzeh, que incluyen complejidad, peso, costo, longitudes de pista existentes suficientes y reglas de certificación.
Ver también
Referencias
- "Sopla, sopla el viento de BLC" , Flight International , 1971