Empuje vectorial
Cohetes balísticos y missilesEdit
Nominalmente, la línea de acción de la el vector de empuje de una boquilla de cohete pasa a través del centro de masa del vehículo, generando un momento neto cero sobre el centro de masa. Es posible generar momentos de inclinación y guiñada desviando el vector de empuje del cohete principal para que no pase a través del centro de masa. Debido a que la línea de acción generalmente está orientada casi paralela al eje del rodillo, el control del rodillo generalmente requiere el uso de dos o más boquillas con bisagras separadas o un sistema separado por completo, como aletas o paletas en el penacho de escape del motor del cohete, desviando 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 trayectoria de vuelo y de actitud durante otras etapas del vuelo.
La vectorización de empuje se puede lograr por cuatro medios básicos:
- Motor(s) de cardán o boquilla(s)
- Inyección reactiva de fluido
- Impulsores auxiliares «Vernier»
- Paletas de escape, también conocidas como paletas de chorro
Empuje de cardán
La vectorización de empuje para muchos cohetes líquidos se logra al gimbalear todo el motor. Esto implica mover toda la cámara de combustión y la campana exterior del motor como en los motores gemelos de primera etapa del Titan II, o incluso todo el conjunto del motor, incluidas las bombas de combustible y oxidantes relacionadas. El Saturn V y el Transbordador Espacial usaban motores de cardán.
Un método posterior desarrollado para misiles balísticos de propulsante sólido logra la vectorización de empuje desviando solo la boquilla del cohete utilizando 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 termorresistente, este último generalmente requiere más torque y un sistema de accionamiento de mayor potencia. Los sistemas Trident C4 y D5 se controlan a través de una boquilla accionada hidráulicamente. Los STS SRBs usaban boquillas de cardán.
Inyección de propulsoreditar
Otro método de vectorización de empuje utilizado en misiles balísticos de propulsor sólido es la inyección líquida, en la que la boquilla del cohete es fija, pero se introduce un fluido en el flujo de escape desde los inyectores montados alrededor del extremo posterior del misil. Si el líquido se inyecta en un solo lado del misil, modifica ese lado del penacho de escape, lo que resulta en un empuje diferente en ese lado y una fuerza de red asimétrica en el misil. Este fue el sistema de control utilizado en el Minuteman II y los primeros SLBMS de la Armada de los Estados Unidos.
Propulsores a vernieredItar
Se puede producir un efecto similar a la vectorización de empuje con múltiples propulsores a vernier, pequeñas cámaras de combustión auxiliares que carecen de sus propias turbobombas y pueden cardán en un eje. Estos fueron utilizados en los misiles Atlas y R-7 y todavía se usan en el cohete Soyuz, que desciende del R-7, pero rara vez se usan 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 utilizados para maniobrar en el espacio.
Paletas de escapeseditar
Uno de los primeros métodos de vectorización de empuje en motores cohete era colocar paletas en la corriente de escape del motor. Estas paletas de escape o paletas de chorro permiten que el empuje se desvíe sin mover ninguna parte del motor, pero reducen la eficiencia del cohete. Tienen la ventaja de permitir el control del balanceo con un solo motor, lo que no ocurre con el gimbal de la boquilla. El V-2 usaba paletas de escape de grafito y paletas aerodinámicas, al igual que el Redstone, derivado del V-2. Los cohetes Sapphire y Nexo del grupo de aficionados Copenhagen Suborbitales proporcionan un ejemplo moderno de paletas a reacción. Las paletas de chorro deben estar hechas de un material refractario o enfriadas activamente para evitar que se derritan. Sapphire usó paletas de cobre sólido para la alta capacidad calorífica y conductividad térmica del cobre, y Nexo usó grafito para su alto punto de fusión, pero a menos que se enfríe activamente, las paletas de chorro sufrirán una erosión significativa. Esto, combinado con la ineficiencia de las paletas de reacción, en su mayoría impide su uso en cohetes nuevos.
Misiles tácticos y pequeñas plataformas de proyectoeditar
Algunos misiles tácticos atmosféricos de menor tamaño, como el AIM-9X Sidewinder, evitan las superficies de control de vuelo y en su lugar usan paletas mecánicas para desviar el escape del motor hacia un lado.
La vectorización de empuje es una forma de reducir el alcance mínimo de un misil, antes del cual no puede alcanzar una velocidad lo suficientemente alta como para que sus pequeñas superficies aerodinámicas produzcan maniobras efectivas. Por ejemplo, los misiles antitanque como el ERYX y el PARS 3 LR utilizan vectorización de empuje por esta razón.
Algunos otros proyectiles que usan vectorización de empuje:
- 9M330
- Strix mortero ronda utiliza doce abdomen lateral propulsor de cohetes para proporcionar terminal correcciones de rumbo
- AAD utiliza jet paletas
- QRSAM utiliza jet paletas
- MPATGM utiliza jet paletas
- Barak 8 utiliza jet paletas
- Un Dardo utiliza jet paletas
- ASRAAM utiliza jet paletas
- R-73 (misil) utiliza jet paletas
- HQ-9 utiliza jet paletas
- PL-10 (ASR) utiliza jet paletas
- MICA (misil) utiliza jet paletas
- PARS 3 LR utiliza jet paletas
- Aster de misiles de la familia combina el control aerodinámico y el directo de empuje vectorial el control llamado»PIF-PAF»
- AIM-9X utiliza cuatro paletas de chorro dentro del escape, que se mueven a medida que se mueven las aletas.
- 9M96E utiliza un sistema de control dinámico de gas que permite maniobrar a altitudes de hasta 35 km a fuerzas de más de 20 g, lo que permite el ataque de misiles balísticos no estratégicos.
- El Iskander 9K720 se controla durante todo el vuelo con superficies de control aerodinámicas y dinámicas de gas.
AircraftEdit
La mayoría de los aviones de empuje vectorial actualmente operativos utilizan turbofanes con boquillas giratorias o paletas para desviar el flujo de escape. Este método puede desviar con éxito el empuje a través de hasta 90 grados, en relación con la línea central del avión. Sin embargo, el motor debe estar dimensionado para la elevación vertical, en lugar de para el vuelo normal, lo que resulta en una penalización por peso. La postcombustión (o quema de cámara de Plenum, PCB, en la corriente de derivación) es difícil de incorporar y no es práctica para la vectorización de empuje 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 de PCB, el Bristol Siddeley BS100, fue cancelado en 1965.
Empuje vectorial de aeronave de rotor basculante a través de góndolas de motor turbohélice rotativas. Las complejidades mecánicas de este diseño son bastante problemáticas, incluida la torsión de componentes internos flexibles y la transferencia de potencia del eje de transmisión entre motores. La mayoría de los diseños actuales de rotores basculantes cuentan con dos rotores en una configuración de lado a lado. Si una nave de este tipo vuela de una manera en la que entra en un estado de anillo de vórtice, uno de los rotores siempre entrará ligeramente antes que el otro, causando que la aeronave realice un giro drástico y no planificado.
La vectorización de empuje también se utiliza como mecanismo de control para dirigibles. Una de las primeras aplicaciones fue el dirigible Delta del Ejército Británico, que voló por primera vez en 1912. Más tarde fue utilizado en el HMA (Dirigible de Su Majestad) No. 9r, un dirigible rígido británico que voló por primera vez en 1916 y en el doble estadounidense de la década de 1930. Los dirigibles rígidos de la Marina USS Akron y USS Macon que se utilizaron como portaaviones aéreos, y una forma similar de vectorización de empuje también es particularmente valiosa hoy en día para el control de los dirigibles no rígidos modernos. En este uso, la mayor parte de la carga es generalmente soportada por flotabilidad y el empuje vectorial se usa 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.
Percy Walwyn presentó en 1949 al Ministerio del Aire británico un diseño para un jet que incorporaba vectorización de empuje; Los dibujos de Walwyn se conservan en la Biblioteca Aeroespacial Nacional de Farnborough. El interés oficial se redujo cuando se dio cuenta de que el diseñador era un paciente en un hospital psiquiátrico.
Actualmente en investigación, la Vectorización de empuje fluídico (FTV) desvía el empuje a través de inyecciones fluídicas secundarias. Las pruebas muestran que el aire forzado en el flujo de escape de un motor a reacción puede desviar el empuje hasta 15 grados. Tales boquillas 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, menos mantenimiento) y sección transversal de radar para sigilo. Esto probablemente se utilizará en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de caza de 6a generación.