Aviones supersonicos

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Aviones supersonicos

  1. 1. UN '''AVIÓN SUPERSÓNICO''' ES UN AERONAVE CAPAZ DE SOBREPASAR LA BARRERA DEL SONIDO, PARTIENDO ASÍ DEL NÚMERO MACH.
  2. 2. HISTORIA  Desde la invención de la turbina y su utilización en el primer avión a propulsión, el Messerschmitt ME 262 también llamado camyrica, se genera una revolución aeronáutica importante, dando paso a una nueva generación de avión. Es en 1947 cuando el piloto estadounidense Chuck Yeager supera por primera vez la velocidad del sonido en su avión cohete Bell X- 1, demostrando que es posible viajar más rápido que el sonido.
  3. 3.  Hoy en día casi todos los aviones de combate son supersónicos, pero solamente se han construido 2 aviones de pasajeros supersónicos. El primero en ser construido fue el Tupolev Tu-144 y 2 meses después se construyó el Concorde Francia-Gran Bretaña. El Túpolev 1978 alcanzó a estar en servicio solamente 6 meses, a pesar de ser el avión de pasajeros más rápido de la historia. Esto se debió a reiterados accidentes y costoso mantenimiento, razones que darían 27 años después, para retirar al Concorde de circulación.
  4. 4. NÚMERO MACH  El número Mach (M), conocido en el uso coloquial como mach (pronúnciese /ˈmɑːx/ o /ˈmɑːk/), es una medida de velocidad relativa que se define como el cociente entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido en el medio en que se mueve dicho objeto. Dicha relación puede expresarse según la ecuación V M= Vs
  5. 5. VELOCIDAD SUPERSÓNICA UNA VELOCIDAD ES SUPERSÓNICA CUANDO ES MAYOR QUE LA VELOCIDAD DEL SONIDO, ES DECIR, MAYOR QUE 1.225KM/H O A 343 M/S AL NIVEL DEL MAR. MUCHOS AVIONES DE COMBATE SON SUPERSÓNICOS. LAS VELOCIDADES MAYORES A 5 VECES LA VELOCIDAD DEL SONIDO SON ALGUNAS VECES LLAMADAS HIPERSÓNICAS.
  6. 6.  En aerodinámica, la barrera del sonido usualmente se refiere al punto en el cual un objeto (aeronave) se mueve desde una velocidad transónica a supersónica. Fue un término aeronáutico comenzado a usar durante la segunda guerra mundial cuando aeronaves comenzaron a encontrar los efectos de la compresibilidad, un efecto aerodinámico no conocido. Hacia los 1950s las aeronaves rutinariamente "rompían" la barrera del sonido.
  7. 7. Barrera del sonido
  8. 8.  Un F/A-18 Hornet rompiendo la barrera del sonido. El disco blanco que se forma es vapor de agua condensándose a consecuencia de la onda de choque. Este fenómeno se conoce como "Singularidad de Prandtl-Glauert".  Un F-14A Tomcat rompiendo la barrera del sonido.  En aerodinámica, la barrera del sonido fue considerada un límite físico que impedía que objetos de gran tamaño se desplazaran a velocidad supersónica.
  9. 9.  El término se empezó a utilizar durante la Segunda Guerra Mundial, cuando un cierto número de aviones empezaron a tener problemas de compresibilidad (así como otros problemas no relacionados) al volar a grandes velocidades, y cayó en desuso en los años 1950, cuando los aviones empezaron a romper esa barrera normalmente.
  10. 10. Se define como una "barrera omnipresente" que viaja en todas direcciones a la velocidad constante de 1224 km/h, la velocidad del sonido, y al ser vencida por un objeto, estalla formando una explosión sónica que puede ser muy molesta al oído humano. Cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido, la forma en que el aire fluye alrededor de su superficie cambia y se convierte en un fluido compresible, dando lugar a una resistencia mayor
  11. 11.  Primeras teorías y experiencias  Inicialmente se pensaba que el aumento de la resistencia seguía un crecimiento exponencial, por lo que un avión no podría superarla aún aumentando de manera sustancial la potencia de los motores. De ahí el nombre de barrera del sonido.  Sin embargo, esta idea ya había sido descartada por los artilleros del siglo XIX. Desde Ernst Mach se sabía que, a partir de cierto punto, la resistencia ya no aumenta más y, de hecho, se reduce. De manera que para atravesar la barrera del sonido sería suficiente con disponer de mayor propulsión y mejor aerodinámica para vencer ese punto máximo de resistencia.
  12. 12.  Con la introducción de nuevas formas de ala que disminuyen la resistencia, y los motores de reacción para la propulsión, fue posible desde los años 1950 viajar más rápido que el sonido con relativa facilidad.  Charles Elwood Yeager fue el primer hombre en atravesar oficialmente la barrera del sonido, el 14 de octubre de 1947, volando con el avión experimental Bell X-1 a velocidad Mach 1 y a una altitud de 45.000 pies.[1]
  13. 13. Pero esto no fue fácil, para lograr esta hazaña murieron 18 pilotos (oficialmente). Sin embargo, Hans Guido Mutke afirmaba haber atravesado la barrera del sonido antes que Yeager, el 9 de abril de 1945, en un Messerschmitt Me 262, aunque no existen pruebas científicas de este logro.
  14. 14.  Explosión sónica  Fotografía de un caza F/A-18 Hornet de la Armada de los Estados Unidos en el mismo instante en que atraviesa la barrera del sonido. Nótese la condensación de la nube alrededor del ápice de movimiento causada por la singularidad de Prandtl- Glauert
  15. 15.  Se denomina explosión sónica, boom sónico o estampido sónico al componente audible de la onda de choque provocada por un objeto cuando sobrepasa la velocidad Mach 1. Se observa con frecuencia en aviones militares, aunque también lo pueden provocar aviones civiles, como el ya retirado de servicio Concorde, capaz de alcanzar Mach 2,03, o la Lanzadera espacial, que llega a Mach 27.
  16. 16.  El fenómeno se relaciona con el efecto Doppler, el cual describe los cambios en la frecuencia percibida por un observador cuando éste o la fuente emisora de sonido se encuentra en movimiento. Al leer y comprender este efecto en las ondas sonoras, surge la pregunta sobre qué pasará con la frecuencia percibida cuando la velocidad de la fuente se acerque, viaje y sobrepase la velocidad del sonido.
  17. 17.  Causas del fenómeno  La explosión sónica sucede porque, al ser la velocidad de la fuente próxima a Mach 1, los frentes de onda que genera comienzan a solaparse el uno contra el otro. Si la velocidad de la fuente supera la velocidad del sonido se producirá una "conificación" de las ondas detrás de ella, y el sonido de la explosión es porque, al ser vencida por la aeronave, la barrera del sonido estalla sin afectar la estructura molecular de la aeronave ni del aire. En el caso del avión caza, el piloto no puede oír esa explosión ni el ruido del motor viajando por el aire, ya que éste es dejado atrás por el avión. La siguiente imagen ilustra las 3 situaciones.
  18. 18. Los estampidos sónicos disipan enormes cantidades de energía, lo que produce un ruido muy semejante al de una explosión. Típicamente el frente de choque puede alcanzar los 167 megavatios por metro cuadrado (MW/m²), y puede incluso exceder los 200 decibeles.
  19. 19.  Ocurrencia del fenómeno en la vida cotidiana  No es necesario subirse a un avión caza para producir un sonic boom. Si se toma una toalla y se sacude rápidamente una de sus puntas, podrá producir un mini estruendo sónico, aunque una toalla en reposo no sea un generador natural de sonidos. Es la "explosión" sónica que produce el latigazo de la misma a alta velocidad lo que producirá una onda de choque. La onda de choque se expande alrededor del objeto que lo produce, pero en direcciones contrarias de donde se produjo.  En un circo, el domador de animales puede utilizar un látigo, cuyo movimiento puede ser más rápido (casi siempre) que la velocidad del sonido. Esto también produce un estruendo sónico en miniatura. Las ondas de aire de alta velocidad resultantes producen ese estruendo de sonido o estallido. Si el latigazo se produce sobre una superficie sucia o polvorienta, la onda de choque provocará un levantamiento del polvo que está alrededor del origen de la onda. Estos estallidos sónicos "hechos en casa" producen un fenómeno conocido como onda de choque.
  20. 20. ESTRUCTURA
  21. 21.  Los aviones más característicos son los aviones de transporte subsónico, aunque no todos los aviones tienen su misma estructura, suelen ser muy parecidos. Las principales partes de estos aviones son:
  22. 22.  EL ALA es una superficie aerodinámica que le brinda sustentación al avión debido al efecto aerodinámico, provocado por la curvatura de la parte superior del ala (extradós) que hace que el aire que fluye por encima de esta se acelere y por lo tanto baje su presión (creando un efecto de succión), mientras que el aire que circula por debajo del ala (que en la mayoría de los casos es plana o con una curvatura menor y a la cual llamaremos intradós) mantiene la misma velocidad y presión del aire relativo, pero al mismo tiempo aumenta la sustentación ya que cuando este golpea la parte inferior del ala la impulsa hacia arriba manteniendo sustentado en el aire al avión y contrarrestando la acción de la gravedad.
  23. 23.  En determinadas partes de un vuelo la forma del ala puede variar debido al uso de las superficies de control que se encuentran en las alas: los flaps, los alerones, los spoilers y los slats.
  24. 24.  Todas ellas son partes móviles que provocan distintos efectos en el curso del vuelo. Los flaps son dispositivos hipersustentadores que se encuentran ubicados en el borde de salida del ala, cuando están retraídos forman un solo cuerpo con el ala, los flaps son utilizados en ciertas maniobras (comúnmente el despegue y el aterrizaje), en las cuales se extienden hacia atrás y abajo del ala a un determinado ángulo, curvándola así aún más.
  25. 25.  Esto provoca una reacción en la aerodinámica del ala que genera más sustentación, al hacer que el flujo laminar recorra más distancia desde el borde de ataque al borde de salida, y previene al mismo tiempo un desprendimiento prematuro de este, proveyendo así de más sustentación a bajas velocidades y altos ángulos de ataque, al mismo tiempo los flaps generan más resistencia en la superficie alar, por lo que es necesario contrarrestarla, ya sea aplicando más potencia a los motores o picando la nariz del avión.
  26. 26.  Los slats, al igual que los flaps, son dispositivos hipersustentadores, la diferencia está en que los slats se encuentran ubicados en el borde de ataque, y cuando son extendidos aumentan aún más la curvatura del ala, generando aún más sustentación.
  27. 27.  Hay varios tipos de alas para los aviones:
  28. 28.  Los alerones son superficies móviles que se encuentran en las puntas de las alas y sobre el borde de salida de estas. Son los encargados de provocar el desplazamiento del avión sobre su eje longitudinal al crear una descompensación aerodinámica de las alas, que es la que permite al avión girar, ya que cuando giramos el timón hacia la izquierda el alerón derecho baja, creando más sustentación en el ala derecha, y el alerón izquierdo sube, desprendiendo artificialmente el flujo laminar del ala izquierda y provocando una pérdida de sustentación en esta; lo inverso ocurre cuando giramos el timón hacia la derecha.
  29. 29.  Acción de alerones: alabeo
  30. 30.  Los spoilers son superficies móviles unidas a la parte superior del ala, su función es reducir la sustentación generada por el ala; cuando son extendidos, separan prematuramente el flujo de aire que recorre el extradós provocando que el ala entre en pérdida, una pérdida controlada podríamos decir.
  31. 31.  La diferencia entre los spoilers y los frenos aerodinámicos es que estos últimos disminuyen la velocidad del avión al generar mayor resistencia pero sin afectar la sustentación, los spoilers en cambio afectan la sustentación, por lo cual se debe de aumentar el ángulo de ataque del avión, lo cual generará mayor resistencia y por lo tanto una pérdida de velocidad.
  32. 32.  Fuselaje  Algunos tipos de fuselajes: 1:Para vuelo subsónico. 2:Para vuelo supersónico de alta velocidad. 3:Para vuelo subsónico con góndola de gran capacidad. 4:Para vuelo supersónico de gran maniobrabilidad. 5:Para hidroavión. 6:Para vuelo hipersónico.  El fuselaje es el cuerpo del avión al que se encuentran unidas las alas y los estabilizadores tanto horizontales como verticales. Su interior es hueco, para poder albergar dentro a la cabina de pasajeros y la de mandos y los compartimentos de carga. Su tamaño, obviamente, vendrá determinado por el diseño de la aeronave.
  33. 33. Algunos tipos de fuselajes: 1:Para vuelo subsónico. 2:Para vuelo supersónico de alta velocidad. 3:Para vuelo subsónico con góndola de gran capacidad. 4:Para vuelo supersónico de gran maniobrabilidad. 5:Para hidroavión. 6:Para vuelo hipersónico
  34. 34.  Sistemas de control  Tipo de colas de avión: (A) estándar, (B) en forma de «T» (C) en forma de cruz, (D) con dos estabilizadores verticales, (E) con tres estabilizadores verticales, (F) en forma de «V».  Son todas aquellas partes móviles del avión que al ser utilizadas cambiándolas de posición, provocarán un efecto aerodinámico que alterara el curso del vuelo y tendrán la seguridad de un control correcto de la aeronave, a saber:
  35. 35.  Tipo de colas de avión: (A) estándar, (B) en forma de «T» (C) en forma de cruz, (D) con dos estabilizadores verticales, (E) con tres estabilizadores verticales, (F) en forma de «V».
  36. 36.  Estabilizadores horizontales  Son 2 aletas más pequeñas que las alas, situadas en posición horizontal (generalmente en la parte trasera del avión), en el empenaje y en distintas posiciones y formas dependiendo del diseño, las cuales le brindan estabilidad y que apoyan al despegue y aterrizaje. En ellos se encuentran unas superficies de control muy importantes que son los elevadores (o también llamados timones de profundidad) con los cuales se controla la altitud del vuelo mediante el ascenso y descenso de estas superficies, que inclinarán el avión hacia adelante o atrás, es decir, el avión subirá o bajara a determinada altitud y estará en determinada posición con respecto al horizonte. A este efecto se le llama penetración o descenso, o movimiento de cabeceo.
  37. 37.  Acción del timón de profundidad: cabeceo
  38. 38.  Estabilizadores verticales  Es/Son una(s) aleta(s) que se encuentra (n) en posición vertical en la parte trasera del fuselaje (generalmente en la parte superior). Su número y forma deben ser determinadas por cálculos aeronáuticos según los requerimientos aerodinámicos y de diseño, que le brinda estabilidad al avión. En éste se encuentra una superficie de control muy importante, el timón de dirección, con el cual se tiene controlado el curso del vuelo mediante el movimiento hacia un lado u otro de esta superficie, girando hacia el lado determinado sobre su propio eje debido a efectos aerodinámicos. Este efecto se denomina movimiento de guiñada.
  39. 39.  Acción del timón de dirección: guiñada 1 2
  40. 40. GRUPO MOTOPROPULSOR  Pruebas de un motor turbofán Pratt & Whitney F100 para un F-15 Eagle, Base de la Fuerza Aérea Robins (Georgia, Estados Unidos). El túnel detrás de la tobera reduce el ruido y permite la salida de los gases. La cobertura en la parte frontal del motor impide que objetos extraños (incluyendo personas) sean tragados debido a la gran potencia de absorción de la entrada
  41. 41.  Son los motores que tiene el avión para obtener la propulsión que requiere para seguir un curso frontal, contrarrestando el efecto del viento en contra, el cual opone resistencia y lo empujaría hacia atrás. Estos motores son previamente analizados por la constructora y después instalados en el avión si cumplen con los requerimientos del avión en cuanto a potencia, (es decir, tras las pruebas de potencia, contención de materiales en caso de explosión, ...; el constructor del motor, se lo manda a la constructora de aeronaves, la cual, suele probarlo en un avión similar al que se va a construir, y, si todo marcha conforme a lo establecido, se montan en el avión, para completar así, una etapa más de su construcción) uso de combustible, costo de operación y mantenimiento, resistencia, calidad, autonomía, defensa, etc; todo esto brinda características y un gran apoyo para llevar a cabo la misión que le corresponde a cada tipo de aeronave de una manera eficiente y apropiada.
  42. 42.  Un motor de turborreactor es un tipo de motor de combustión interna utilizado a menudo para impulsar una aeronave. El aire es arrastrado a un compresor rotatorio a través de la toma de aire y es comprimido, durante varias etapas sucesivas, a alta presión antes de entrar en la cámara de combustión. El combustible es mezclado con el aire comprimido e inflamado. Este proceso de combustión aumenta considerablemente la temperatura del gas. El resultado de la combustión sale para expandirse a través de la turbina, donde se extrae la energía para mover el compresor. Aunque este proceso de expansión reduce tanto la temperatura como la presión del gas, estos se mantienen generalmente superiores a los del medio. El flujo de gas de salida de la turbina se expande a la presión ambiental a través de una tobera de propulsión, produciendo un chorro a altas velocidades. Si la velocidad de este chorro de gases supera a la velocidad del avión, entonces hay un empuje neto hacia delante.
  43. 43.  Comparando el turborreactor con el motor convencional a hélice, el primero toma una cantidad relativamente pequeña de masa de aire y la acelera considerablemente, mientras que una hélice utiliza una masa de aire grande y la acelera sólo una pequeña parte. La salida de gases a altas velocidades de un turborreactor lo hace eficaz a velocidades altas, especialmente a las supersónicas, y a altitudes elevadas. En aviones más lentos y aquellos que sólo realicen vuelos cortos, una turbina de gas propulsada por una hélice, conocido como turbopropulsor, es más común y eficiente.
  44. 44.  El diseño de turborreactor más simple es de una sola bobina, en el que un único eje conecta la turbina al compresor. Para diseños con relaciones de presión más altas suelen tener dos ejes concéntricos, mejorando la estabilidad del compresor. El eje de alta presión conecta el compresor y turbina de alta presión. Esta bobina externa de alta presión, con la cámara de combustión, forma el núcleo o generador del motor. El eje interno conecta el compresor de baja presión con la turbina de baja presión. Ambas bobinas pueden funcionar libremente para conseguir velocidades óptimas, como en aviones supersónicos como el Concorde.
  45. 45. TRENES DE ATERRIZAJE  El tren de aterrizaje tiene por función permitir el desplazamiento de una aeronave cuando ésta se encuentra en tierra, tanto sea para despegar, aterrizar o trasladarse de un punto a otro. Durante el aterrizaje debe absorber la energía cinética producida por el impacto. La cubierta es el primer elemento que absorbe tal impacto, pero no es suficiente; así el tren de aterrizaje debe poseer un sistema de amortiguación para poder disminuir el impacto.
  46. 46.  Según la categoría en la que la aeronave se encuentre certificada, el sistema debe cumplir distintos requisitos de absorción de energía. Debe ser capaz, además, de permitir el remolque de la aeronave para movilizarla en caso de "push-back" o remolque desde posiciones desde donde no pueda salir por sus propios medios. En este caso, las fuerzas actuantes serán no solo verticales.
  47. 47.  El peso total del avión, su distribución sobre las ruedas principales, la velocidad vertical de aterrizaje, la cantidad de unidades de ruedas, las dimensiones y presión de las cubiertas y otros, son los factores que influyen sobre la amortiguación del choque y ésta debe ser tal que la estructura del avión no esté expuesta a fuerzas excesivas.
  48. 48. INSTRUMENTOS DE CONTROL
  49. 49.  Son dispositivos electrónicos desarrollados con la aviónica que permiten al piloto tener conocimiento del estado general de las partes del avión durante el vuelo, las condiciones meteorológicas, el curso programado del vuelo y diversos sistemas que controlarán las superficies de control para dirigir y mantener un vuelo correcto y seguro.
  50. 50.  Entre ellos: el horizonte artificial, el radar, el GPS, el piloto automático, los controles de motores, los aceleradores, la palanca y los pedales de dirección, tubo pitot, luces en general y los conmutadores de arranque.
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