Introducción: La promesa de la nave de ala de ala de ala

La industria de la aviación está bajo presión constante para reducir las quemaduras de combustible, las emisiones y los costos operativos manteniendo o mejorando la seguridad y el rendimiento. Entre los conceptos de la estructura de aire más prometedores para atender estas demandas está la configuración del Cuerpo de Ala (BWB) de Alambrado (BWB). A diferencia de los diseños convencionales de tubo y de alambrado, un avión BWB combina el ala y el alave en una superficie de elevación simple y lisa.

Sin embargo, la realización de estos beneficios requiere resolver desafíos aerodinámicos y estructurales únicos, especialmente durante fases de vuelo de baja velocidad como despegue, enfoque y aterrizaje. Aquí es donde la integración de la cola se vuelve crítica. Las fallas - superficies móviles en el borde de la pista de aterrizaje - son esenciales para generar un elevador adicional a velocidades más bajas. En un BWB, la ausencia de una cola distinta y la geometría altamente integrada significa que el diseño de cola debe ser cuidadosamente diseñado

¿Qué son las naves de Alambrada (BWB)?

Un avión de Ala Blended cuenta con una transición sin costura entre el ala y el fuselaje, eliminando las uniones agudas encontradas en los diseños tradicionales. Toda la estructura aérea actúa como un cuerpo elevado, con la sección central (donde se alojan pasajeros o carga) contribuyendo a la generación de ascensores. Esta configuración ofrece varias ventajas aerodinámicas:

  • Arrastre reducido: La forma lisa y continua reduce el área mojada y la arrastre de forma. La arrastre de interferencia entre ala y fuselaje es virtualmente eliminada.
  • Prometido de elevación a descarga ratio: Los diseños de BWB alcanzan mayores ratios L/D, especialmente en condiciones de crucero, translatando directamente a un menor consumo de combustible.
  • Eficiencia estructural: El cuerpo del centro profundo puede llevar momentos de curvatura más eficientemente, permitiendo estructuras más ligeras en algunas áreas.
  • Lower Noise: Los motores montados sobre el fuselaje de popa pueden ser blindados por la estructura de aire, reduciendo el ruido de suelo durante el despegue y aterrizaje.

La investigación en configuraciones BWB se remonta a los años noventa, con los experimentos del cuerpo de elevación X-24 de la NASA y posteriormente los manifestantes X-48B y X-48C que fluyen por Boeing y NASA. Más recientemente, Airbus desenvolvió el MAVERIC] (Model Aircraft para la validación de un Efficiente, resistente y Concepto Integrado)

Características estructurales y geométricas clave relevantes para los Flaps

Los aviones BWB tienen un cuerpo amplio y plano que se transfiere en alas exteriores grabadas. El borde de la cola del cuerpo central es a menudo casi recto o ligeramente barrido, proporcionando un espacio amplio para los sistemas de solapa. Sin embargo, la ausencia de una cola horizontal convencional significa que el control de la parcela debe ser alcanzado a través de elevones o ascensores separados situados en el borde de la cola del cuerpo central.

Función de las flautas en el rendimiento de las aeronaves

Las flaps son dispositivos de elevador que aumentan el camber y, en algunos casos, el acorde de un ala. Permiten que un avión genere la misma cantidad de ascensor a una velocidad más baja, reduciendo las distancias de despegue y aterrizaje y mejorando los márgenes de seguridad. Las flaps también aumentan la resistencia, lo que resulta beneficioso durante el acercamiento para empinar el camino de deslizamiento sin una acumulación excesiva de velocidad.

  • Incorporación corporal: Las fosas en la sección central de una BWB afectan el momento de lanzamiento significativamente debido al gran brazo de momento relativo al centro de gravedad. Esto puede causar la colocación de la nariz o la nariz hacia abajo, que debe ser balanceado por otras superficies de control.
  • ]Distribución de carga de ancho: Los marcos de aire BWB son altamente sensibles a la distribución de carga de ancho. El despliegue de la flauta cambia la distribución del ascensor, potencialmente aumentando los momentos de flexión de la raíz. Los ingenieros deben optimizar la programación de solapa para evitar sobrecallar la estructura.
  • Control de separación de flujo: El cuerpo de centro grueso y las alas exteriores muy barridas pueden conducir a la separación de flujo en ángulos altos de ataque. Las fosas, combinadas con dispositivos de vanguardia, ayudan a retrasar la separación y mejorar las características de los puestos.

Por lo tanto, la integración efectiva de las aletas en los diseños de BWB no es simplemente una cuestión de copiar geometrías convencionales de aletas; requiere un enfoque a nivel de sistemas que contemple la estabilidad, cargas y interacciones aerodinámicas en todo el marco aéreo.

Tipos de Flaps usados en diseños BWB

Cada tipo de solapa ofrece ventajas y compensaciones distintas. La selección depende de la geometría BWB específica, los coeficientes de elevación requeridos, la complejidad y los presupuestos de peso.

Flaps de color azul

Las bofetadas de cola son el tipo más simple, acolchadas en el borde de la pista. Cuando se desvían, aumentan la madera y el ascensor pero con un aumento moderado de la arrastre. Para los aviones BWB, las solapas pueden utilizarse en las secciones de ala exterior donde se prioriza la simplicidad y el bajo peso. Sin embargo, las solapas son menos eficientes que los tipos más avanzados y pueden causar separación de flujo anterior, limitando el elevador.

Flaps Ranurados

Las solapas ranuradas incorporan una brecha entre la solapa y el ala que permite el aire de alta energía de la superficie inferior para fluir sobre la superficie superior de la solapa, re-energizar la capa de límite y retardar la separación. Esto produce mayores coeficientes de elevación máximo que los solapados. Las solapadas ranuradas se utilizan comúnmente en el transporte de aviones y son viables para aplicaciones BWB, especialmente en las alas exteriores donde se necesitan aumentos.

Fowler Flaps

Las bofetadas de Fowler se extienden hacia arriba y hacia abajo, aumentando tanto el área de camber y ala. Esto proporciona un impulso significativo en el ascensor sin un aumento proporcional de la arrastre. La extensión de acordes aumenta efectivamente la relación de aspecto del ala durante el vuelo de baja velocidad. Para los diseños BWB, las bofetadas Fowler son particularmente atractivas para la sección del cuerpo central, donde el acorde grande permite una extensión sustancial sin excesivo peso estructural requerido.

Flaps de enrutamiento (o Ailerones de enrutamiento)

Las bofetadas de enrollamiento reducen tanto la bofetada como una porción de la superficie de control de bordes (como un ailerón) simultáneamente. Esta técnica se utiliza para mejorar el control de rollos a bajas velocidades mientras que todavía proporciona mejora de ascensor. En los aviones BWB, los ailerones de engrase pueden ser beneficiosos porque permiten mantener la autoridad de enrollamiento durante el despliegue de bofetadas, evitando la necesidad de de de desadores separados o de deslizamiento de colas.

La integración de estos tipos de solapa en un BWB debe considerar la interacción con elevones (que combinan funciones de ascensor y ailerón). Muchos manifestantes BWB utilizan elevones para el control de la rueda y el sistema de solapa debe ser diseñado para evitar conflictos. Típicamente, los segmentos de bordes de seguimiento más interiores de la casa elevons, mientras que las secciones de fuera llevan solapa.

Ventajas de la integración de la lámina en la aeronave BWB

Cuando las bofetadas se integran adecuadamente en el diseño BWB, los beneficios se extienden más allá del rendimiento básico de alta elevación. Aquí están las principales ventajas apoyadas por estudios recientes y pruebas de vuelo.

Generación de elevación mejorada y velocidades de despegue/enlace más baja

Los aviones BWB suelen tener una carga de alas más alta que los diseños convencionales porque el cuerpo central contribuye a levantar. Esto significa que sin dispositivos elevados, velocidades de despegue y aterrizaje serían impractamente altas. Los fps, especialmente los tipos Fowler o ranurados, pueden aumentar el coeficiente de elevación máximo (CLmax) en 50-80%. Esto reduce la velocidad de estancamiento, permitiendo un transporte de multilapement.

Mejora de la eficiencia del combustible mediante la programación de la FAP de la Misión

Las flaps no solo se utilizan durante el despegue y el aterrizaje; también se pueden optimizar para el ascenso y el crucero. Los sistemas modernos de vuelo-a-a-a-a-a-a-llave permiten ajustes de solapa variable a lo largo del sobre de vuelo. Por ejemplo, las solapas ligeramente extendidas durante la escalada pueden mejorar la relación L/D a velocidades más bajas, reduciendo la quemadura de combustible.

Rango de vuelo ampliado y capacidad de carga

La combinación de baja resistencia de cruceros de la forma BWB y rendimiento eficiente de alta elevación de las solapas significa que el avión puede operar con una carga útil superior o mayor rango para la misma carga de combustible. Para las aerolíneas, esto se traduce en opciones de ruta más flexibles y mayor potencial de ingresos. Aplicaciones militares, como la vigilancia de la carga aérea o la larga resistencia, también se benefician del tiempo de lavado prolongado posible mediante el uso optimizado de solapa.

Mejores características y seguridad estall

Las fosas ayudan a mantener el flujo de aire adjunto en ángulos más altos de ataque re-energizando la capa de límite. En aviones BWB, la falta de un plan de cola significa que las tendencias de lanzamiento en el estancamiento pueden ser peligrosas. El despliegue de flautas, especialmente cuando se combina con los generadores de punta o vórtice, puede retrasar el inicio de la sesión y proporcionar un comportamiento de estancamiento más benigno.

Noise comunitario reducido

Debido a que las bofetadas permiten un ángulo de enfoque más pronunciado y una velocidad de enfoque más baja, el avión puede permanecer a alturas más largas antes de aterrizar, reduciendo la exposición al ruido en el suelo. Además, los marcos de aire BWB pueden proteger el ruido del motor, pero el despliegue de solapa genera su propio ruido aerodinámico.

Desafíos y consideraciones en la integración de la plaga para la BWB

A pesar de las ventajas, integrar los solapados en un BWB presenta varios obstáculos de ingeniería que deben superarse para lograr la certificación y viabilidad comercial.

Mayor complejidad mecánica y peso

Los aletas multi-elemento requieren actuadores, pistas, enlaces y hadas. En un BWB, los mecanismos de aletas deben ser alojados dentro de las secciones del ala exterior delgada y el cuerpo central más grueso. El cuerpo central ofrece más profundidad, pero el acorde ancho significa que las aletas de larga duración pueden ser pesadas. Los diseñadores deben cambiar el peso añadido de los sistemas de aerodinámicos de carga y de materiales como el mantenimiento.

Momento de Pitch y cambios de Trim

El control de la fuga de la cola cambia el centro de la presión, causando un momento de lanzamiento de la nariz. En aviones convencionales, la cola horizontal se contrapone en este momento. En un BWB, los elevones en el borde de la pista deben proporcionar el momento de lanzamiento necesario. Sin embargo, si los elevones se desvían hacia arriba, reducen el levantamiento general de la aeronave, negando parcialmente el control de la falla

Carga estructural y efectos aeroelásticos

El despliegue de la brida aumenta la distribución del ascensor, especialmente en la raíz del ala. En un BWB, la raíz está en el cuerpo central, que debe reforzarse para manejar momentos de curvatura aumentados. Además, los efectos aeroelásticos se vuelven más pronunciados; la deflexión de la cola puede inducir el torsión de ala que altera las cargas aerodinámicas.

Integración con sistemas autónomos y de mosca por cable

Los conceptos modernos de BWB son inherentemente inestables en el campo y el yaw, dependiendo de sistemas de vuelo por cable para aumentar la estabilidad. El control de la flauta debe estar completamente integrado en el equipo de control de vuelo. Los modos de falla deben ser analizados: si una solapa se atasca o se despliega asimétricamente, el sistema de control debe compensar el uso de otras superficies o el sobre de vuelo límite.

Sistemas de Actuación de Flap para BWB: Opciones y operaciones comerciales

La selección del sistema de accionamiento adecuado es crucial para una operación de aletas fiable.

  • Actuadores hidráulicos: Tradicional y potente, pero pesado y requiere un sistema hidráulico central. Para BWB, las líneas hidráulicas deben correr a través del cuerpo central, aumentando el peso.
  • Actuadores electromecánicos (EMAs): Más ligeros y eficientes, EMAs están ganando popularidad. Eliminan fluido hidráulico y permiten la arquitectura distribuida. Sin embargo, requieren sistemas eléctricos de alta potencia y tienen desafíos de gestión térmica.
  • ]Actuadores electrohidrostáticos (EHAs): Combinan la energía hidráulica local con el control eléctrico. Ofrecen la densidad de potencia de la hidráulica con la flexibilidad de la distribución eléctrica. Los EHA se utilizan en algunos aviones modernos como el Airbus A380 y pueden adaptarse para los sistemas de solapa BWB.
  • Materiales inteligentes (Aleaciones de Memoria de Forma, Piezoeléctrica): La investigación está explorando las solapas de morfología que cambian de forma sin bisagras convencionales. Mientras que todavía en desarrollo temprano, estos sistemas podrían reducir el peso y la cuenta de piezas, ideal para BWB donde las superficies lisas son aerodinámicas.

Para una producción de aviones BWB, un sistema híbrido que utiliza EMA para aletas exteriores y EHAs para aletas de cuerpo central podría ofrecer un equilibrio de peso, fiabilidad y potencia.

Control de flujo y gestión de separación

Las aerodinámicas BWB son altamente sensibles a la separación de flujo, especialmente en el cuerpo del centro de popa donde se desarrollan los gradientes de presión adversa. Las fosas pueden diseñarse no sólo como dispositivos de elevación sino también como herramientas de control de flujo activas.

  • ]Flus de la chimenea: Las pestañas pequeñas y verticales en el borde de la cola que aumentan el ascensor con un mínimo de arrastre. Pueden desplegarse selectivamente para gestionar la carga de la longitud.
  • Camber de borde de tracción activo: Variación continua del ángulo de la solapa a lo largo del lazo para coincidir con el ángulo local de ataque y evitar la separación. Esto es similar a los bordes de tracción "mordiendo" y está siendo estudiado por el proyecto de Tecnología de Transporte Aéreo Avanzado de la NASA.
  • Generadores de Vórtex arriba de Flaps: Estas pequeñas vanas energizan la capa de límite antes de que llegue a la solapa, permitiendo ángulos de solapa más altos sin separación.

La integración de estas técnicas de control de flujo con el sistema de solapa puede mejorar aún más el rendimiento de BWB, especialmente durante condiciones de diseño fuera de la instalación, como el motor-out o el aterrizaje en el viento cruzado.

Estudios de caso: Integración de la Flap en los manifestantes BWB

NASA/Boeing X-48B y X-48C

El X-48B fue un modelo de escala 8,5% de un diseño BWB, fluido de 2007 a 2012. Utilizaba elevones para el control de tono y rollo y tenía aletas Fowler en las alas exteriores. Las pruebas de vuelo demostraron que aplauden la velocidad de enfoque y las cualidades de manejo. El posterior X-48C tenía una forma modificada con un borde de tracción más pronunciado y ascensores divididos.

Airbus MAVERIC

El desfiladero MAVERIC de Airbus, un modelo escala 1:10, incorpora un cuerpo de ala mezclada con una exclusiva cola V y solapa integrada. Los detalles son patentados, pero las presentaciones públicas sugieren que el sistema de aletas utiliza múltiples segmentos para permitir el aumento de ascensor y el control direccional. El programa MAVERIC está explorando cómo se pueden utilizar solapas para el control de rollos y sierras en una configuración inigual, reduciendo potencialmente la cola verticalmente.

University Research: the AVT-183 NATO Task Group

Un grupo de tareas de la Organización de la OTAN, AVT-183, estudió las características aerodinámicas de las configuraciones de BWB, incluyendo el alto rendimiento de la elevación. Utilizaron dinámicas de fluido computacional (CFD) para optimizar las posiciones de solapa y encontró que una combinación de aleta ranurada de 20° en el ala exterior y una solapa de 30° Fowler en el cuerpo central proporcionaba la mejor relación de elevación a la de aterrizaje resaltado.

Tendencias futuras en la integración de la flauta para BWB

A medida que los conceptos de BWB pasan de los manifestantes a posibles aviones de producción, se están produciendo varias tendencias en la tecnología de aletas:

  • Integración: Los diseños BWB se combinan con sistemas DEP donde se incrustan múltiples ventiladores eléctricos pequeños en el ala. Los tubos pueden diseñarse para soplar el aire sobre las ubicaciones de los ventiladores o para controlar la entrada. La NASA X-57 Maxwell (un avión ligero convencional) utiliza boletas de alta elevación que interactúan con los conceptos de propulsores de alas.
  • ]Morphing Leading and Trailing Edges: En lugar de paneles discretos, los futuros aviones BWB pueden usar superficies sin costuras que cambian de madera sin problemas. Esto reduce las brechas y el ruido, y mejora la eficiencia aerodinámica. El proyecto europeo de investigación SARISTU ha demostrado que los conceptos de bordes de la perforación de la morfría en una ala convencional;
  • Inteligencia Artificial para la optimización de la flauta en tiempo real: Con sistemas de vuelo por cable, los ordenadores a bordo pueden ajustar los ángulos de solapa continuamente basados en las condiciones actuales de vuelo, peso e incluso clima. Los algoritmos de aprendizaje automático podrían aprender el horario óptimo de solapa para cada fase de vuelo, reduciendo aún más la quemadura de combustible.
  • Mantenimiento simplificado a través de Unidades de Flap modulares: Para abordar la complejidad del mantenimiento, los fabricantes están diseñando sistemas de solapa como módulos de plug-and-play. Las asambleas de solapa pueden ser reemplazadas rápidamente, reduciendo el tiempo de inactividad de los aviones. Esto es especialmente importante para los aviones BWB, donde el acceso a los mecanismos internos puede ser limitado.

Conclusión

La integración de la brisa no es simplemente un pensamiento posterior en el diseño de los aviones Blended Wing Body; es un habilitador crítico de la eficiencia y seguridad prometidas de la configuración. Mediante una selección cuidadosa de los tipos de solapa, ya sea simple, perezoso, o descamado, y abordando los desafíos aerodinámicos y estructurales únicos de la BWB, los ingenieros pueden lograr avances significativos en los ensayos de elevación, economía de combustible y calidad.

Recursos externos: