ES2286957A1 - Dispositivo de pilotaje en guiñada para aeronave. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de pilotaje en guiñada para aeronave equipada con una tobera supersónica de sección rectangular o aplanada, que comprende un cuello sónico prolongado por un divergente en el cual se produce el flujo supersónico. A fin de permitir el pilotaje en guiñada de la aeronave en ausencia de deriva vertical, el dispositivo de la invención utiliza unos timones de chorro en forma de alerón que están dispuestos en el divergente de la tobera. Los timones son móviles alrededor del eje de rotación para generar un esfuerzo lateral en posición girada y permitir la rotación de la aeronave alrededor de su eje de guiñada.
Description
Dispositivo de pilotaje en guiñada para
aeronave.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de pilotaje en guiñada para aeronave, particularmente
aeronaves de tipo furtivo, es decir las aeronaves de concepción
específica para minimizar la signatura equivalente de radar (SER) y
la signatura infrarroja. Este tipo de aeronaves es, por ejemplo
pero no exclusivamente, el de los aviones de combate sin piloto
denominados también drones o UCAV (acrónimo del término inglés
"Unmanned Combat Air Vehicle") y que presentan, por cuestión de
discreción (SER principalmente) unas células de forma muy plana y
sin deriva vertical. Además, la forma de la aeronave así como la
necesidad de discreción infrarroja a nivel del chorro que sale de
la tobera han conducido a dar a esta última una forma llamada
"bidimensional" o " 2D", siendo la sección de salida de la
tobera de forma rectangular o aplanada con una relación
anchura/altura del orden de 3 o más.
La supresión de la deriva vertical (timón de
dirección) necesita dotar la aeronave de otro medio de control en
guiñada. Se han estudiado dos soluciones hasta el presente. La
primera consiste en realizar el pilotaje en guiñada por medio de
timones aerodinámicos dispuestos a nivel de las alas de la aeronave
(timones de tipo doble alerón). En este caso, la aeronave es
pilotada en guiñada por el control de resistencias aerodinámicas
diferenciales entre las dos alas de la aeronave. Otra solución
consiste en equipar la aeronave con una tobera orientable que
permite controlar la dirección del vector empuje.
Sin embargo, estas dos soluciones para el
pilotaje en guiñada de aeronaves sin deriva vertical adolecen de
ciertos inconvenientes en términos de eficacia del pilotaje y de
prestaciones del motor. En efecto, la utilización de timones
aerodinámicos a nivel de las alas aumenta en gran manera la global
de la aeronave para generar un momento suficiente con respecto al
centro de gravedad de la aeronave. Asimismo, los sistemas de
pilotaje en guiñada por orientación del empuje a nivel de la tobera,
en particular los que utilizan una inyección fluídica sobre las
paredes laterales de la tobera, no permiten obtener un momento de
guiñada suficiente, en particular en razón de la forma tan aplanada
de la tobera que es poco favorable para la desviación del vector
empuje en guiñada. Por otra parte, los sistemas mecánicos que
permiten orientar la tobera y, por consiguiente, el empuje son muy
penalizantes en términos de peso y de volumen.
Por último, los sistemas de pilotaje en guiñada
descritos anteriormente tiene generalmente un impacto sobre las
prestaciones de empuje del motor.
La presente invención. tiene por objetivo
aportar una solución al problema planteado por el pilotaje en
guiñada de aeronaves sin deriva vertical y equipadas con una tobera
supersónica de sección rectangular o aplanada a fin de generar un
momento de guiñada óptimo con respecto al centro de gravedad de la
aeronave, y esto limitando al mismo tiempo las pérdidas de empuje y
el impacto sobre el ciclo termodinámico del motor.
De acuerdo con la presente invención, este
objetivo se alcanza gracias al dispositivo de pilotaje en guiñada
que comprende por lo menos un timón de chorro en forma de alerón
dispuesto en el divergente de la tobera, siendo dicho timón móvil
alrededor de un eje de rotación para generar un esfuerzo lateral en
posición curvada y permitir la rotación de la aeronave alrededor de
su eje de guiñada. El dispositivo de pilotaje en guiñada comprende
además un elemento fijo dispuesto corriente arriba del o cada
timón de chorro en la tobera, presentando dicho elemento fijo un
borde de ataque aerodinámico para proteger el timón del flujo
supersónico en la tobera.
El dispositivo de la invención permite realizar
un pilotaje en guiñada tan eficaz como el realizado con una deriva
vertical. En efecto, posicionando uno o varios timones de chorro
directamente en el divergente, es decir a nivel del flujo
supersónico, se genera un esfuerzo lateral muy importante y, por
consiguiente, un momento en guiñada suficiente para el pilotaje en
guiñada de la aeronave. Este esfuerzo lateral importante se obtiene
por un giro de algunos grados solamente del o de los timones. El
giro de los timones únicamente genera temporalmente pérdidas de
empuje.
Además, estando el o los timones posicionados en
el divergente, es decir después del cuello, no tienen impacto sobre
el ciclo de funcionamiento del motor, siendo el caudal regulado a
nivel del cuello sónico corriente arriba. El funcionamiento del
motor puede entonces ser desacoplado del pilotaje de la
aeronave.
La forma (alerón) y las dimensiones de los
timones de chorro son preferentemente elegidos de manera que
optimicen su perfil aerodinámico en el flujo en posición no
girada.
La disposición de un elemento fijo corriente
arriba de cada timón permite proteger estos últimos del flujo
supersónico en posición no girada y reducir la pérdida de empuje en
funcionamiento continuo. En efecto, la presencia de uno o varios
timones de chorro en el flujo supersónico genera unos choques (ondas
de choque) en este último que inducen pérdidas de empuje. Los
elementos fijos permiten "enmascarar" los timones del flujo
supersónico en posición no girada. A este fin, los elementos fijos
están preferentemente dispuestos por lo menos parcialmente corriente
arriba de la línea sónica de la tobera. Con estos elementos fijos,
el dispositivo de la invención tiene un impacto despreciable sobre
las prestaciones de empuje del motor cuando no está activado (es
decir, cuando los timones no están girados).
Según un aspecto de la invención, el dispositivo
comprende varios timones de chorro, estando cada uno de estos
timones unido a una palanca de mando única, lo que permite utilizar
un único activador para el mando de todos los timones.
La presente invención se refiere además a una
tobera supersónica de sección rectangular o aplanada que comprende
por lo menos un dispositivo de pilotaje en guiñada tal como se ha
descrito anteriormente.
La invención se refiere asimismo a una aeronave
que comprende dicha tobera para la cual es ventajosamente posible
suprimir la deriva vertical, estando el dispositivo de pilotaje en
guiñada integrado en la tobera.
La presente invención se refiere por último a un
procedimiento de pilotaje en guiñada de una aeronave equipada con
una tobera supersónica de sección rectangular o aplanada que
comprende un cuello sónico prolongado por un divergente en el cual
se produce el flujo supersónico, comprendiendo dicho procedimiento
la disposición de por lo menos un timón de chorro en forma de
alerón en el interior del divergente de la tobera, presentando la
disposición corriente arriba del o de cada timón de chorro de un
elemento fijo un borde de ataque aerodinámico para proteger el timón
de chorro supersónico de la tobera, estando el o los elementos
fijos preferentemente dispuestos por lo menos parcialmente
corriente arriba de la línea sónica de la tobera, y el giro del
timón de chorro de manera que genere un esfuerzo lateral que permite
la rotación de la aeronave alrededor de su eje de guiñada.
Según un aspecto particular de la invención, se
posicionan varios timones de chorro en el interior del divergente
que se conectan a una palanca de mando única para mandar su giro
simultáneamente.
El número de timones de chorro a disponer en el
interior del divergente así como su ángulo de giro máximo están
definidos en función del momento de guiñada que debe ser generado
para el pilotaje en guiñada de la aeronave.
Otras características y ventajas de la invención
se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción
siguiente de modos particulares de realización de la invención,
dados a título de ejemplos no limitativos, con referencia a los
planos anexos, en los cuales:
- la figura 1 es una vista muy esquemática de
una aeronave equipada con un dispositivo de pilotaje en guiñada de
acuerdo con un modo de realización de la invención,
- Las figuras 2A y 2B son unas vistas por encima
de un timón de chorro de la figura 1 respectivamente en posición no
girada y en posición girada,
- la figura 3 es una vista por encima del
conjunto de los timones de chorro de la figura 1,
- la figura 4 es una vista muy esquemática de
una aeronave equipada con un dispositivo de pilotaje en guiñada de
acuerdo con otro modo de realización de la invención,
- las figuras 5A y 5B son unas vistas por encima
de un timón de chorro de la figura 4 respectivamente en posición no
girada y en posición girada, y
- la figura 6 es una vista por encima del
conjunto de los timones de chorro de la figura 4.
La figura 1 ilustra muy esquemáticamente una
aeronave 100 de tipo avión de combate sin piloto, denominado
también "drone" o UCAV, que está equipada con un motor 101
cuya parte posterior está constituida por una tobera supersónica 110
que comprende un cuello sónico 111 y un divergente 112. La tobera
110 presenta una forma plana o "bidimensional", es decir que
el divergente 112 presenta una sección rectangular o aplanada con,
a nivel de su sección de salida, una relación anchura/altura que
puede ser del orden de 3 o más.
Para conservar una forma de célula muy plana, la
aeronave 100 no presenta deriva vertical. De acuerdo con la
invención, el pilotaje en guiñada de la aeronave 100 se realiza
gracias a unos timones de chorro 120 dispuestos directamente en la
tobera 110 de manera que sean sometidos al flujo supersónico
E_{sup} del chorro que se produce a nivel del divergente 112.
Como se ha representado en la figura 2A, cada timón 120 presenta
una forma de alerón que define un perfil aerodinámico para reducir
al máximo su influencia sobre el flujo supersónico del chorro. Los
timones están dispuestos verticalmente detrás de la línea sónica
130 que se sitúa a nivel de la salida del cuello sónico 111 y que
delimita la parte de la tobera a partir de la cual la velocidad de
flujo pasa de un valor subsónico E_{sub} a un valor supersónico
E_{sup}. Los timones 120 son móviles alrededor de un eje 121
para permitir su giro. Como se ha ilustrado en la figura 2B, el
giro de un timón en el flujo supersónico E_{sup} establecido en el
divergente permite generar un esfuerzo lateral F_{lat}
importante. En efecto, en posición girada, los timones generan un
choque 132 en el flujo supersónico E_{sup} sobre una cara y un
choque más débil o incluso un haz de expansión 133 sobre la cara
opuesta. Las reparticiones de presiones sobre cada cara del timón
son entonces muy diferentes, lo que permite crear el esfuerzo
lateral F_{lat} que es inmediatamente muy importante para un giro
del orden de algunos grados solamente.
Con esta solución, se obtiene un momento de
guiñada suficiente para asegurar el pilotaje de la aeronave. El
número de timones y el ángulo máximo de giro en estos últimos está
definido en función del valor del momento de guiñada necesario para
el pilotaje de la aeronave alrededor de su eje de guiñada 102.
Estando los timones situados en la parte
supersónica del flujo, el caudal que pasa por el cuello sónico y el
funcionamiento del motor no están impactados por el giro de estos
timones.
Tal como se ilustra en la figura 3 el giro de
los timones 120 puede ser mandado por una misma palanca 123 unida
al eje de rotación 121 solidario de cada timón por una leva 122, lo
que permite activar todos los timones simultáneamente con un
accionador único.
Si la utilización de timones de chorro en el
flujo supersónico permite generar un momento de guiñada máximo con
respecto al centro de gravedad de la aeronave y, por consiguiente,
suplir muy eficazmente una deriva vertical, su presencia en el flujo
supersónico genera un choque 131 (figura 2A) en el flujo que induce
una pérdida de empuje de varios puntos por ciento, aumentando esta
pérdida proporcionalmente con el ángulo de giro de los timones.
Para evitar este inconveniente, la presente
invención propone, de acuerdo con otro modo de realización,
integrar un elemento fijo corriente arriba de cada timón,
presentando este elemento una forma adaptada para proteger del flujo
supersónico el timón delante del cual está dispuesto. A este fin,
el elemento fijo presenta un borde de ataque aerodinámico y
suficientemente ancho para enmascarar el timón del flujo en
posición no girada, estando una parte por lo menos del elemento fijo
situada en la parte subsónica del flujo, es decir corriente arriba
de la línea sónica en la tobera.
Un ejemplo de realización está ilustrado en la
figura 4 que muestra una aeronave 200 del mismo tipo que el
descrito anteriormente, a saber una aeronave equipada con un motor
201 cuya parte posterior está constituida por una tobera
supersónica "bidimensional" 210 que comprende un cuello sónico
211 y un divergente 212 con sección de salida rectangular. Como se
ha explicado anteriormente, uno o varios (varios en la figura 4)
timones de chorro 220 están dispuestos verticalmente en la tobera
210 a nivel del divergente 212 para permitir el pilotaje en guiñada
de la aeronave. En este modo de realización de la invención, unos
elementos fijos 240 están respectivamente dispuestos corriente
arriba de los timones 220. Los elementos fijos 240 presentan un
perfil aerodinámico y están dispuestos por lo menos parcialmente en
la parte convergente de la tobera, a saber a nivel del cuello sónico
211, donde el flujo E_{sub} no es aún supersónico. Esta
disposición está representada en la figura 5A en la que se observa
que la línea sónica 230 del flujo se sitúa en la vertical del
elemento fijo 240 que se prolonga después de esta línea sónica
hasta la sección del divergente 212 donde se sitúa el timón 220 a
nivel del flujo supersónico E_{sup}.
En posición no girada, los timones están así
protegidos del flujo supersónico, siendo la única pérdida de empuje
entonces debida al rozamiento parietal (estando la superficie en
contacto con el flujo un poco aumentada por la presencia de los
elementos fijos) y a los pequeños choques eventuales en el flujo
debidos al pequeño juego que subsiste entre los elementos fijos y
los timones.
Cuando se giran los timones 220 haciéndolos
pivotar alrededor de su eje 221 como se muestra en la figura 5B, se
genera un choque 231 sobre una cara del timón y un choque más flojo
o haz de expansión 232 sobre la otra cara que permite crear un
diferencial de presión importante entre las dos caras y, por
consiguiente, un esfuerzo latera F_{lat} que arrastra la aeronave
en rotación alrededor de su eje de guiñada 202. El eje de rotación
221 de cada timón 220 está dispuesto preferentemente, lo más cerca
del elemento fijo 240 corriente arriba de manera que minimice lo más
posible el sobrepasado del borde corriente arriba 220a del timón
220 con respecto al elemento fijo 240 cuando tiene lugar el giro.
Como se ha ilustrado en las figuras 5A y 5B, el eje de rotación 221
de los timones 220 se elige preferentemente de manera que definan el
centro de un círculo concéntrico con un círculo que pasa sobre el
borde corriente abajo 240b del elemento fijo 240.
Los timones de chorro y los elementos fijos
pueden estar realizados en metal o en material compuesto
termoestructural (por ejemplo carbono/carbono (C/C),
carbono/carburo de silicio (C/SiC) o carburo de silicio/carburo de
silicio (SiC/SiC)).
El dispositivo de pilotaje en guiñada no está
limitado a la aeronave descrita anteriormente. Puede ser utilizado
de manera general en cualquier tipo de aeronave equipada con una
tobera que presente una forma bidimensional y para la cual se busca
una solución más discreta que la deriva vertical para el pilotaje en
guiñada.
Claims (9)
1. Dispositivo de pilotaje en guiñada para
aeronave (100; 200) equipado con una tobera supersónica (110; 210)
con sección rectangular o aplanada, comprendiendo en dicha tobera
un cuello sónico (111; 211) prolongado por un divergente (112; 212)
en el cual se produce el flujo supersónico, comprendiendo dicho
dispositivo por lo menos un timón de chorro (120; 220) en forma de
alerón dispuesto en el divergente (112; 212) de la tobera, siendo
dicho timón móvil alrededor de un eje de rotación (121; 221) para
generar un esfuerzo lateral en posición girada y permitir la
rotación de la aeronave (100; 200) alrededor de su eje de guiñada
(102; 202), caracterizado porque comprende además un
elemento fijo (240) dispuesto corriente arriba del o de cada timón
de chorro (220) en la tobera (210), presentando dicho elemento
fijo un borde de ataque aerodinámico para proteger el timón del
flujo supersónico en la tobera.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el elemento fijo (240) está dispuesto
por lo menos parcialmente corriente arriba de la línea sónica (230)
de la tobera.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque comprende varios timones de chorro
(120; 220), estando cada uno de estos timones unido a una palanca
de mando única (123; 223) que permite girar dichos timones de chorro
simultáneamente.
4. Tobera supersónica de sección rectangular o
aplanada (110; 210), caracterizada porque comprende por lo
menos un dispositivo de pilotaje en guiñada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3.
5. Aeronave sin deriva vertical (100; 200)
caracterizada porque comprende una tobera según la
reivindicación 4.
6. Procedimiento de pilotaje en guiñada de una
aeronave (100; 200) equipada con una tobera supersónica de sección
rectangular o aplanada (110; 210), comprendiendo dicha tobera un
cuello sónico (111; 211) prolongado por un divergente (112; 212) en
el cual se produce el flujo supersónico, comprendiendo dicho
procedimiento la disposición de por lo menos un timón de chorro
(120; 220) en forma de alerón en el interior del divergente de la
tobera y el giro del timón de chorro de manera que genere un
esfuerzo lateral que permite la rotación de la aeronave alrededor
de su eje de guiñada (102; 202), caracterizado porque
comprende además la disposición corriente arriba del o de cada
timón de chorro (220) de un elemento fijo (240) que presenta un
borde de ataque aerodinámico para proteger el timón del chorro
supersónico de la tobera.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el elemento fijo (240) está dispuesto
por lo menos parcialmente corriente arriba de la línea sónica
(230) de la tobera.
8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque se posicionan varios timones de chorro
(120; 240) en el interior del divergente y porque se unen a una
palanca de mando (123; 223) para mandar su giro simultáneamente.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque se determina el
número de timones de chorro a disponer en el interior del
divergente así como su ángulo de giro máximo en función del momento
en guiñada que deber ser generado para el pilotaje en guiñada de la
aeronave.
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