Vetorização de empuxo - Thrust vectoring

Bocal de vetorização de empuxo 3D em um Sukhoi Su-35S
Três aeronaves experimentais de vetorização de empuxo em voo; da esquerda para a direita, F-18 HARV , X-31 e F-16 MATV

O vetor de empuxo , também conhecido como controle do vetor de empuxo ( TVC ), é a capacidade de uma aeronave , foguete ou outro veículo de manipular a direção do empuxo de seu (s) motor (es) ou motor (es) para controlar a atitude ou velocidade angular do veículo.

Em foguetes e mísseis balísticos que voam para fora da atmosfera, as superfícies de controle aerodinâmico são ineficazes, portanto, a vetorização de empuxo é o principal meio de controle de atitude . As palhetas de escape e os motores com suspensão foram usados ​​na década de 1930 por Robert Goddard.

Para aeronaves, o método foi originalmente concebido para fornecer empuxo vertical para cima como um meio de fornecer capacidade de decolagem e aterrissagem vertical ( VTOL ) ou curta ( STOL ). Posteriormente, percebeu-se que o uso do empuxo vetorial em situações de combate permitia às aeronaves realizar várias manobras não disponíveis aos aviões com motor convencional. Para fazer curvas, as aeronaves que não usam vetorização de empuxo devem contar apenas com superfícies de controle aerodinâmico, como ailerons ou profundores ; aeronaves com vetorização ainda devem usar superfícies de controle, mas em menor grau.

Na literatura sobre mísseis originada de fontes russas, a vetorização de empuxo é freqüentemente referida como direção dinâmica de gás ou controle dinâmico de gás .

Métodos

Foguetes e mísseis balísticos

Momentos gerados por diferentes ângulos de cardan de impulso
Animação do movimento de um foguete à medida que o empuxo é vetorizado pelo acionamento do bico
Palhetas de escape de grafite em um bocal de motor de foguete V-2

Nominalmente, a linha de ação do vetor de empuxo de um bico de foguete passa pelo centro de massa do veículo , gerando momento líquido zero em torno do centro de massa. É possível gerar momentos de inclinação e guinada desviando o vetor de empuxo do foguete principal para que ele não passe pelo centro de massa. Uma vez que a linha de acção é geralmente orientado quase paralelamente ao rolo de eixo, de controlo do rolamento normalmente requer o uso de dois ou mais, separadamente articulada bicos ou um sistema separado completamente, tais como barbatanas , ou palhetas na coluna de escape do motor de foguet, desviando o impulso principal. O controle vetorial de empuxo (TVC) só é possível quando o sistema de propulsão está criando empuxo; mecanismos separados são necessários para controle de atitude e trajetória de vôo durante outras fases do vôo.

A vetorização de empuxo pode ser alcançada por quatro meios básicos:

  • Motor (es) com suspensão (s) ou bico (s)
  • Injeção de fluido reativo
  • Propulsores auxiliares "Vernier"
  • Palhetas de escape, também conhecidas como palhetas de jato

Impulso com cardan

A vetorização de empuxo para muitos foguetes líquidos é obtida girando todo o motor . Isso envolve a movimentação de toda a câmara de combustão e do sino externo do motor como nos motores duplos de primeiro estágio do Titan II , ou mesmo todo o conjunto do motor, incluindo as bombas de combustível e oxidante relacionadas . O Saturn V e o ônibus espacial usavam motores com cardan.

Um método posterior desenvolvido para mísseis balísticos de propelente sólido atinge o vetor de empuxo desviando apenas o bico do foguete usando atuadores elétricos ou cilindros hidráulicos . O bico é fixado ao míssil por meio de uma junta esférica com um orifício no centro, ou um selo flexível feito de um material termicamente resistente, este último geralmente exigindo mais torque e um sistema de acionamento de maior potência. Os sistemas Trident C4 e D5 são controlados por meio de um bico atuado hidraulicamente. Os STS SRBs usavam bicos oscilantes.

Injeção de propelente

Outro método de vetorização de empuxo usado em mísseis balísticos de propelente sólido é a injeção de líquido, em que o bico do foguete é fixo, mas um fluido é introduzido no fluxo de exaustão dos injetores montados em torno da extremidade posterior do míssil. Se o líquido for injetado em apenas um lado do míssil, ele modifica aquele lado da pluma de exaustão, resultando em empuxo diferente naquele lado e uma rede de força assimétrica no míssil. Este era o sistema de controle usado no Minuteman II e nos primeiros SLBMs da Marinha dos Estados Unidos .

Propulsores Vernier

Um efeito semelhante à vetorização de empuxo pode ser produzido com múltiplos propulsores vernier , pequenas câmaras de combustão auxiliar que não possuem suas próprias turbobombas e podem girar em um eixo. Eles foram usados ​​nos mísseis Atlas e R-7 e ainda são usados ​​no foguete Soyuz , que é descendente do R-7, mas raramente são usados ​​em novos projetos devido à sua complexidade e peso. Eles são diferentes dos propulsores do sistema de controle de reação , que são motores de foguete fixos e independentes usados ​​para manobras no espaço.

Palhetas de exaustão

Um dos primeiros métodos de vetorização de empuxo em motores de foguete era colocar palhetas no fluxo de escapamento do motor. Essas palhetas de exaustão ou de jato permitem que o empuxo seja desviado sem mover nenhuma parte do motor, mas reduzem a eficiência do foguete. Eles têm a vantagem de permitir o controle de rotação com apenas um único motor, o que a articulação do bico não permite. O V-2 usava palhetas de escape de grafite e palhetas aerodinâmicas, assim como o Redstone , derivado do V-2. Os foguetes Sapphire e Nexo do grupo amador Copenhagen Suborbitals fornecem um exemplo moderno de hélices a jato. As aletas do jato devem ser feitas de um material refratário ou resfriado ativamente para evitar que derretam. Sapphire usou palhetas de cobre sólido para a alta capacidade de calor e condutividade térmica do cobre, e a Nexo usou grafite para seu alto ponto de fusão, mas a menos que seja resfriado ativamente, as palhetas de jato sofrerão erosão significativa. Isso, combinado com a ineficiência das palhetas de jato, impede principalmente seu uso em novos foguetes.

Mísseis táticos e pequenos projéteis

Alguns mísseis táticos atmosféricos de menor porte , como o AIM-9X Sidewinder , evitam as superfícies de controle de vôo e, em vez disso, usam palhetas mecânicas para desviar a exaustão do motor para um lado.

A vetorização de empuxo é uma forma de reduzir o alcance mínimo de um míssil, antes do qual ele não pode atingir uma velocidade alta o suficiente para que suas pequenas superfícies aerodinâmicas produzam manobras eficazes. Por exemplo, mísseis antitanque como o Eryx e o PARS 3 LR usam vetorização de empuxo por esse motivo.

Alguns outros projéteis que usam vetorização de empuxo:

Aeronave

A maioria das aeronaves de empuxo vetorial operacional atualmente usa turbofans com bicos giratórios ou palhetas para desviar o fluxo de exaustão. Este método pode desviar com sucesso o empuxo em até 90 graus, em relação à linha central da aeronave. No entanto, o motor deve ser dimensionado para elevação vertical, ao invés de vôo normal, o que resulta em uma penalidade de peso. A pós-combustão (ou Plenum Chamber Burning, PCB, no fluxo de desvio) é difícil de incorporar e é impraticável para vetorização de empuxo de decolagem e pouso, porque a exaustão muito quente pode danificar as superfícies da pista. Sem pós-combustão é difícil atingir velocidades de vôo supersônicas. Um motor PCB, o Bristol Siddeley BS100 , foi cancelado em 1965.

Impulso vetorial da aeronave Tiltrotor via naceles rotativas do motor turboélice . As complexidades mecânicas desse projeto são bastante problemáticas, incluindo a torção de componentes internos flexíveis e a transferência de potência do eixo de transmissão entre os motores. A maioria dos projetos de tiltrotor atuais apresentam dois rotores em uma configuração lado a lado. Se tal nave for pilotada de forma a entrar em um estado de anel de vórtice , um dos rotores sempre entrará ligeiramente antes do outro, fazendo com que a aeronave execute um rolamento drástico e não planejado.

O dirigível Delta do Exército Britânico, pré-Primeira Guerra Mundial , equipado com hélices giratórias

A vetorização de empuxo também é usada como mecanismo de controle para aeronaves . Uma das primeiras aplicações foi o dirigível do Exército britânico Delta , que voou pela primeira vez em 1912. Mais tarde, foi usado no HMA (His Majesty's Airship) No. 9r , um dirigível rígido britânico que voou pela primeira vez em 1916 e os dois dirigíveis rígidos da Marinha dos Estados Unidos da década de 1930 O USS Akron e o USS Macon que foram usados ​​como porta-aviões aerotransportados e uma forma semelhante de vetorização de empuxo também são particularmente valiosos hoje para o controle de aeronaves não rígidas modernas . Nesse uso, a maior parte da carga é geralmente suportada por flutuabilidade e o empuxo vetorial é usado para controlar o movimento da aeronave. O primeiro dirigível a usar um sistema de controle baseado em ar pressurizado foi o Omnia Dir de Enrico Forlanini na década de 1930.

O projeto de um jato incorporando vetorização de empuxo foi submetido em 1949 ao Ministério da Aeronáutica Britânica por Percy Walwyn; Os desenhos de Walwyn estão preservados na Biblioteca Nacional Aeroespacial em Farnborough. O interesse oficial foi reduzido quando se percebeu que o designer era um paciente em um hospital psiquiátrico.

Atualmente sendo pesquisado, a Fluidic Thrust Vectoring (FTV) desvia o impulso por meio de injeções fluídicas secundárias . Testes mostram que o ar forçado para dentro do fluxo de exaustão de um motor a jato pode desviar o empuxo em até 15 graus. Esses bicos são desejáveis ​​por sua menor massa e custo (até 50% menos), inércia (para resposta de controle mais rápida e mais forte), complexidade (mecanicamente mais simples, menos ou nenhuma peça ou superfície móvel, menos manutenção) e seção transversal de radar para furtividade . Isso provavelmente será usado em muitos veículos aéreos não tripulados (UAVs) e aeronaves de caça de 6ª geração .

Bicos de vetorização

O controle de vôo com vetor de empuxo (TVFC) é obtido através da deflexão dos jatos da aeronave em algumas ou todas as direções de inclinação, guinada e rotação. No extremo, a deflexão dos jatos em guinada, inclinação e rotação cria forças e momentos desejados, permitindo o controle direcional completo da trajetória de vôo da aeronave sem a implementação dos controles de vôo aerodinâmicos convencionais (CAFC). TVFC também pode ser usado para manter o vôo estacionário em áreas do envelope de vôo onde as principais superfícies aerodinâmicas estão estagnadas. TVFC inclui o controle de aeronaves STOVL durante o hover e durante a transição entre o hover e as velocidades de avanço abaixo de 50 nós, onde as superfícies aerodinâmicas são ineficazes.

Quando o controle de empuxo vetorial usa um único jato de propulsão, como acontece com uma aeronave monomotor, a capacidade de produzir momentos de rolamento pode não ser possível. Um exemplo é um bico supersônico de pós-combustão em que as funções do bico são área da garganta, área de saída, vetorização de pitch e vetorização de guinada. Essas funções são controladas por quatro atuadores separados. Uma variante mais simples usando apenas três atuadores não teria controle de área de saída independente.

Quando o TVFC é implementado para complementar o CAFC, a agilidade e a segurança da aeronave são maximizadas. O aumento da segurança pode ocorrer no caso de CAFC com defeito como resultado de dano de batalha.

Para implementar TVFC, uma variedade de bocais tanto mecânicos quanto fluídicos podem ser aplicados. Isso inclui bicos convergentes e convergentes-divergentes que podem ser fixos ou geometricamente variáveis. Também inclui mecanismos variáveis ​​dentro de um bico fixo, como cascatas rotativas e palhetas de saída rotativas. Dentro desses bocais de aeronave, a própria geometria pode variar de bidimensional (2-D) a axissimétrica ou elíptica. O número de bocais em uma determinada aeronave para atingir TVFC pode variar de um em uma aeronave CTOL a um mínimo de quatro no caso de aeronaves STOVL.

Definições

É necessário esclarecer algumas definições usadas no projeto de bicos de vetor de empuxo.

Eixo-simétrico
Bocais com saídas circulares.
Controle de voo aerodinâmico convencional (CAFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll ou qualquer outra combinação de controle de aeronave por meio de deflexão aerodinâmica usando lemes, flaps, elevadores e / ou ailerons.
Bocal convergente-divergente (CD)
Geralmente usado em aeronaves a jato supersônicas onde a razão de pressão do bocal (npr)> 3. O escapamento do motor é expandido através de uma seção convergente para atingir Mach 1 e então expandido através de uma seção divergente para atingir velocidade supersônica no plano de saída, ou menos em baixo npr .
Bocal convergente
Geralmente usado em aeronaves a jato subsônicas e transônicas onde npr <3. O escapamento do motor é expandido através de uma seção convergente para atingir Mach 1 no plano de saída, ou menos em baixo npr.
Ângulo de Vetorização Eficaz
O ângulo médio de deflexão da linha central do jato em um determinado momento.
Bico fixo
Um bocal de vetor de empuxo de geometria invariante ou de geometria variante mantendo uma razão de área geométrica constante durante a vetorização. Isso também será referido como um injetor de aeronave civil e representa o controle de vetorização de empuxo do injetor aplicável a passageiros, transporte, carga e outras aeronaves subsônicas.
Vetorização de impulso fluídico
A manipulação ou controle do fluxo de exaustão com o uso de uma fonte de ar secundária, normalmente purga o ar do compressor ou ventilador do motor.
Ângulo de vetorização geométrica
Linha central geométrica do bocal durante a vetorização. Para os bicos vetorizados na garganta geométrica e além, isso pode diferir consideravelmente do ângulo de vetorização efetivo.
Bocal para duto giratório de três rolamentos (3BSD)
Três segmentos angulares do duto de exaustão do motor giram em relação um ao outro sobre a linha central do duto para produzir a inclinação e a guinada do eixo de empuxo do bocal.
Tridimensional (3-D)
Bicos com multi-eixos ou controle de passo e guinada.
Vetor de empuxo (TV)
A deflexão do jato para longe do eixo do corpo através da implementação de um bico flexível, abas, pás, mecânica de fluido auxiliar ou métodos semelhantes.
Controle de voo com vetor de empuxo (TVFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll ou qualquer outra combinação de controle de aeronave por meio de deflexão de empuxo geralmente emitida por um motor turbofan de respiração aérea.
Bidimensional (2-D)
Bocais com saídas quadradas ou retangulares. Além da forma geométrica, 2-D também pode se referir ao grau de liberdade (DOF) controlado, que é de eixo único ou somente passo, caso em que bicos redondos são incluídos.
Convergente-divergente bidimensional (CD 2-D)
Bicos supersônicos quadrados, retangulares ou redondos em aeronaves de caça com controle somente de inclinação.
Bico variável
Um bocal de vetor de empuxo de geometria variável mantendo uma constante, ou permitindo uma relação de área de bocal efetiva e variável, durante a vetorização. Isso também será referido como um bico de aeronave militar, pois representa o controle de vetorização de empuxo do bico aplicável a caça e outras aeronaves supersônicas com pós-combustão. A seção convergente pode ser totalmente controlada com a seção divergente seguindo uma relação pré-determinada com a área convergente da garganta. Alternativamente, a área da garganta e a área de saída podem ser controladas de forma independente, para permitir que a seção divergente corresponda à condição de voo exata.

Métodos de controle de bico

Razões de área geométrica
Manter uma proporção de área geométrica fixa da garganta até a saída durante a vetorização. A garganta efetiva é restrita à medida que o ângulo de vetorização aumenta.
Razões de área efetiva
Manter uma proporção de área efetiva fixa da garganta até a saída durante a vetorização. A garganta geométrica é aberta conforme o ângulo de vetorização aumenta.
Razões de área diferencial
Maximizando a eficiência da expansão do bico geralmente através da previsão da área efetiva ideal como uma função da taxa de fluxo de massa.

Métodos de vetorização de empuxo

Tipo I
Bocais cuja estrutura de base é girada mecanicamente antes da garganta geométrica.
Tipo II
Bocais cuja estrutura de base é girada mecanicamente na garganta geométrica.
Tipo III
Bocais cuja estrutura de base não é girada. Em vez disso, a adição de pás ou pás pós-saída de deflexão mecânica permite a deflexão do jato.
Tipo IV
Deflexão do jato por meio de correntes de jato auxiliares de contrafluxo ou co-fluxo (por controle do vetor de choque ou deslocamento da garganta). Deflexão do jato à base de fluido usando injeção de fluido secundária.
Tipo adicional
Bocais cujo duto de exaustão a montante consiste em segmentos em forma de cunha que giram um em relação ao outro em torno da linha central do duto.

Exemplos operacionais

Aeronave

Bocal de empuxo vetorial frontal (frio) Sea Harrier FA.2 ZA195

Um exemplo de vetorização de empuxo 2D é o motor Rolls-Royce Pegasus usado no Hawker Siddeley Harrier , bem como na variante AV-8B Harrier II .

O uso generalizado de vetorização de empuxo para melhor manobrabilidade em aeronaves de caça modelo de produção ocidental não ocorreu até a implantação do caça a jato de quinta geração Lockheed Martin F-22 Raptor em 2005, com sua pós-combustão, vetorização de empuxo 2D Pratt & Whitney F119 turbofan .

Enquanto a Lockheed Martin F-35 Lightning II usa um turbofan pós-combustão convencional (Pratt & Whitney F135) para facilitar a operação supersônico, sua variante F-35B, desenvolvido para utilização conjunta por o US Marine Corps , Força Aérea Real , Marinha Real , e italiano Navy , também incorpora um ventilador remoto acionado por eixo de baixa pressão montado verticalmente, que é acionado por uma embreagem durante o pouso do motor. Tanto o escapamento desse ventilador quanto o do motor principal são desviados por bicos de vetor de empuxo, para fornecer a combinação apropriada de levantamento e empuxo propulsivo. Não foi concebido para maior capacidade de manobra em combate, apenas para operação VTOL , e o F-35A e o F-35C não usam vetorização de empuxo.

O Sukhoi Su-30MKI , produzido pela Índia sob licença da Hindustan Aeronautics Limited , está em serviço ativo na Força Aérea Indiana . O TVC torna a aeronave altamente manobrável, capaz de velocidade quase zero em ângulos de ataque elevados sem estolar e acrobacias dinâmicas em baixas velocidades. O Su-30MKI é equipado com dois turbofans de pós - combustão Al-31FP . Os bicos TVC do MKI são montados 32 graus para fora do eixo longitudinal do motor (ou seja, no plano horizontal) e podem ser desviados ± 15 graus no plano vertical. Isso produz um efeito de saca - rolhas , aumentando muito a capacidade de giro da aeronave.

Alguns estudos computadorizados adicionam vetorização de empuxo a aviões de passageiros existentes, como o Boeing 727 e 747, para evitar falhas catastróficas, enquanto o X-48C experimental pode ser pilotado a jato no futuro.

De outros

Exemplos de foguetes e mísseis que usam vetor de empuxo incluem grandes sistemas, como o Space Shuttle Solid Rocket Booster (SRB), míssil superfície-ar S-300P (SA-10) , míssil balístico nuclear UGM-27 Polaris e RT- 23 (SS-24) míssil balístico e armas de campo de batalha menores, como Swingfire .

Os princípios de vetorização de empuxo aéreo foram recentemente adaptados para aplicações marítimas militares na forma de direção rápida a jato de água que fornece superagilidade. Exemplos são o barco patrulha rápido Dvora Mk-III, o barco com mísseis da classe Hamina e os navios de combate do litoral da Marinha dos Estados Unidos .

Lista de aeronaves de empuxo vetorial

A vetorização de empuxo pode trazer dois benefícios principais: VTOL / STOL e maior capacidade de manobra. As aeronaves são geralmente otimizadas para explorar ao máximo um benefício, embora ganhe no outro.

Para capacidade VTOL

O Harrier - o primeiro caça a jato operacional do mundo com vetorização de empuxo, habilitando recursos VTOL
Bico de escape de vetorização Axisymmetric GE , usado no F-16 MATV

Para maior capacidade de manobra

Vetorização em duas dimensões

Vetorização em três dimensões

De outros

Veja também

Referências

8. Wilson, Erich A., "An Introduction to Thrust-Vectored Aircraft Nozzles ", ISBN  978-3-659-41265-3

links externos