¿Es el control de flujo activo el siguiente paso en los controles de vuelo?

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Jan 20, 2024

¿Es el control de flujo activo el siguiente paso en los controles de vuelo?

por Eric Tegler Aurora Flight Sciences en EE. UU. planea volar un avión no tripulado que utiliza solo ráfagas de aire para maniobrar en 2025. La técnica es parte de un enfoque más amplio para el control de vuelo

por Eric Tegler

Aurora Flight Sciences en EE.UU. planea volar un avión no tripulado que utiliza sólo ráfagas de aire para maniobrar en 2025. La técnica es parte de un enfoque más amplio para el control de vuelo llamado Active Flow Control, que prescinde de las tradicionales superficies aerodinámicas en movimiento. El AFC podría generar ventajas significativas en aviones futuros, desde una mayor eficiencia hasta un mayor sigilo.

Pero volar un “avión X” totalmente controlado por Active Flow Control (AFC) que aparece en los titulares no es realmente el punto. Para la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y sus socios de la industria aeroespacial en el proyecto, agregar AFC a la caja de herramientas del diseñador de aviones sí lo es.

El programa DARPA para el cual Aurora planea construir y volar su avión X controlado por AFC se llama CRANE (Control de aviones revolucionarios con nuevos efectores). En términos generales, los aviones convencionales cambian o mantienen la dirección en tres dimensiones cambiando el flujo de aire a su alrededor mediante superficies articuladas, una forma de control de flujo. En cambio, AFC utiliza pulsos medidos y cronometrados para efectuar cambios en el flujo de aire. Estas interrupciones cambian la sustentación y la resistencia en un lugar específico para iniciar movimientos de cabeceo, balanceo o guiñada. Los efectores accionan cambios de flujo y suelen ser neumáticos o eléctricos.

Una técnica sopla o hace fluir aire extraído de un motor a reacción a través de orificios de 1 a 4 mm de ancho en las partes relevantes del revestimiento de un avión. Por el contrario, se puede aspirar aire del flujo. Este tipo de soplado y succión neumáticos pueden crear o dar forma a estelas aerodinámicas que los aerodinámicos describen como superficies de control virtuales.

Si las alas de un avión tienen bordes de salida redondeados, el aire seguirá su curvatura, una tendencia conocida como efecto Coanda. Sople aire sobre la parte superior de un borde de salida redondeado y creará una estela descendente. Sopla aire desde abajo y creas una estela ascendente. Las estelas pueden cambiar el cabeceo de un avión, subiendo o bajando su morro tal como lo hacen los flaps y los elevadores. El movimiento de guiñada hacia la izquierda o hacia la derecha, producido por los timones de los aviones convencionales, es más difícil de crear con el AFC neumático, pero se puede lograr vectorizando el empuje de un motor, esencialmente soplando o tirando los gases de escape hacia un lado o hacia el otro.

Estos efectos activos se pueden lograr usando conjuntos de efectores que incluyen osciladores fluídicos con forma de ranuras, trapecios u otras configuraciones o chorros de barrido que inyectan aire en el flujo en varios lugares de una aeronave. Estos efectores se han utilizado en drones pilotados por Lockheed Martin Skunk Works, llamados ICE (Innovative Control Effectors) y Magma de BAE Systems, que soplaban aire a través de ranuras en los bordes de salida de sus alas para maniobrar.

El programa CRANE de Aurora y DARPA está desarrollando un avión de tamaño completo para demostrar la viabilidad y los beneficios del control de flujo activo. Este modelo se utilizó en pruebas en túnel de viento durante las primeras etapas del programa (Foto: Aurora Flight Sciences)

Un 757 ecoDemonstrator pilotado por un equipo Boeing-NASA en 2015 es el único avión a gran escala que hasta el momento tiene un control AFC parcialmente integrado. Utilizó chorros de barrido para soplar aire comprimido en arcos a través de la cola vertical del avión en un intento de mejorar la eficiencia aerodinámica.

Las técnicas eléctricas de AFC utilizan conjuntos de electrodos para descargar pulsos aerodinámicos o eléctricos para alterar localmente el flujo de aire. Los efectores llamados chorros sintéticos (aberturas de un milímetro de ancho en la superficie de la aeronave que se abren en cavidades de un centímetro de ancho con diafragmas) dependen de rápidos pulsos de voltaje para hacer que los diafragmas oscilen hacia adentro o hacia afuera, creando efectos de succión o soplado del flujo de aire, muy parecidos a los de un pulmón humano.

Los actuadores de plasma accionados eléctricamente descargan pulsos de electricidad al aire a través de electrodos. El calor de la electricidad convierte el aire en plasma, alterando térmicamente los vectores de flujo. Todas estas técnicas han sido investigadas a lo largo de décadas de experimentos del AFC en laboratorios, túneles de viento y aviones de pequeña escala.

Muchas de las herramientas AFC que DARPA busca resaltar con CRANE se ejemplificarán en el avión X a escala real que construirá Aurora Flight Sciences.

"El hecho de que realmente vamos a volar con AFC es un gran paso adelante", dice el director del programa CRANE de DARPA, Richard Wlezien. Wleizen ha trabajado en conceptos AFC durante casi 40 años, incluso en un programa DARPA anterior, pero CRANE representa algo nuevo, afirma.

CRANE será el primer avión experimental de control de flujo activo a gran escala y el primero en integrar completamente el AFC en su sistema de control de vuelo.

DARPA determinó que la “escala completa” era un avión de 7.000 libras (3.175 kg) con una envergadura de 30 pies (9,1 m). La envergadura es aproximadamente equivalente a la de un F-16, pero la similitud es mera coincidencia, explica Wleizen.

DARPA buscó dimensiones que proporcionen suficiente espacio para un motor que pueda propulsar el avión AFC X a velocidades de hasta Mach 0,67 (alrededor de 500 mph/800 km/h) y demostrar números de Reynolds representativos de los aviones: cantidades adimensionales que ayudan a predecir patrones de flujo de fluidos en Diferentes situaciones. AFC se ha realizado a escala de modelo, dice Wleizen, "pero se comporta de manera diferente con un número de Reynolds más bajo que a escala completa".

Según el director del programa CRANE de Aurora, Kevin Uleck, el tamaño realista (si no grande) del X-plane y las características del número de Reynolds hacen clic en el botón "Creo" que DARPA busca presionar, inspirando a otros a adoptar y aplicar los conceptos que investiga. Añade que la escala del avión experimental producirá resultados de prueba ampliamente aplicables a un “avión de 5.000 libras, 50.000 libras o 100.000 libras”.

Aurora Flight Sciences ha construido 30 aviones X durante sus 30 años de existencia. La experiencia interna de la compañía se ve reforzada por la empresa matriz Boeing, cuyo AFC trabaja con el soplador de hombros, incluido el ecoDemonstrator en el que se apoyará.

"Vamos a aprovechar la empresa Boeing para CRANE, combinándola con el know-how de Aurora en X-plane", explica Uleck.

Uleck llegó a su puesto sin experiencia en AFC, pero dice: “Siempre pregunté cómo se compara el enfoque efector de Boeing con otros enfoques de AFC, como el soplado Coanda de vanguardia, y eso generó la idea de hacer que nuestro X-plane sea modular para que Podemos evaluar y probar en vuelo diferentes efectores AFC”.

Las obras de arte de amplia circulación que muestran el diseño del avión AFC X de Aurora muestran un diseño coplanar de alas unidas que no indica definitivamente cómo se verá un avión controlado por el AFC.

Richard Wleizen, de DARPA, simplemente lo llama "un vehículo que ha sido diseñado de manera que pueda ser controlado por AFC". Kevin Uleck dice que el diseño se ve así en parte porque la eficacia del AFC "es una función de la forma en planta del avión" y que podría haber varias formas en planta del AFC.

"Hemos tratado de concebir un demostrador que pueda acomodar todo tipo de control de flujo activo en una amplia gama de formas de aeronaves y usos para AFC, ya sea para gran sustentación, control de vuelo u otros objetivos", dice el líder de programas gubernamentales de Aurora, Graham Drozeski. .

El X-plane tendrá tres niveles de configurabilidad. El primero surge de su forma coplanar que incorpora diferentes ángulos de barrido del ala dentro de una estructura. La sección del ala delantera tiene un barrido de 55˚, el ala exterior trasera tiene un barrido de 30˚ y el ala de empenaje de popa tiene un barrido hacia adelante de 20˚. Las colas verticales del diseño tienen otro ángulo de barrido.

"Esas cuatro superficies de vuelo diferentes representan diferentes elementos aerodinámicos que caracterizamos durante el proceso de diseño de herramientas y los incorporamos al avión X", dice Uleck.

Richard Wleizen explica que la gama de diferentes barridos de ala que el diseño de Aurora puede acomodar simultáneamente fue uno de los factores que llevó a DARPA a seleccionarlo sobre diseños de otros competidores de CRANE Phase 1, Lockheed Martin y BAE Systems. Junto con la relación de aspecto del ala, el barrido del ala tiene un impacto significativo en la efectividad del AFC.

Impresión artística del programa DARPA CRANE X-plane desarrollado por Aurora

Wleizen señala que la mayoría de las investigaciones anteriores de la AFC se realizaron con modelos y drones de subescala que empleaban alas no barridas. La oportunidad de evaluar diferentes técnicas AFC en diferentes barridos dentro de un solo vuelo de prueba arrojará importantes conocimientos, afirma.

Además, se puede intercambiar toda la sección del ala exterior. Un tercero puede construir de forma independiente una sección alternativa y luego llevarla al avión para realizar pruebas de vuelo con diferentes estrategias efectoras de AFC.

En un segundo nivel, el diseño de Aurora también permite una serie de 14 efectores que se pueden cambiar de un tipo a otro: osciladores fluídicos, chorros estacionarios y actuadores de flujo de masa neto cero de forma colectiva o individual. Un tercer nivel de configurabilidad proviene de la capacidad del diseño para incorporar soplado de coanda en cualquiera de sus bordes de salida.

El X-plane que Aurora está construyendo para DARPA se centrará en el control mediante técnicas neumáticas AFC, pero su flexibilidad inherente permitirá su uso como plataforma de prueba más allá de CRANE.

"La vida después de DARPA" es algo que Wleizen dice que la Agencia espera plenamente para el X-plane. DARPA está trabajando activamente en planes para entregar el avión a otras organizaciones gubernamentales de EE. UU. una vez que CRANE esté completo. Estos pueden evaluar otros enfoques de AFC e incluso pueden integrar matrices, efectores y alas exteriores no diseñados por Aurora.

Wleizen agrega que DARPA ha invertido en el trabajo realizado por Georgia Tech Research Corporation en el desarrollo de una herramienta de diseño digital AFC que se basa en un gran conjunto de datos que incorpora métodos de actuación y forma de planta generados dentro y fuera de CRANE. Al igual que con el propio X-plane, la Agencia está buscando hacer la transición de esta herramienta a otras entidades gubernamentales para que pueda ser de uso común.

"No solo vamos a proporcionar datos", explica Wleizen, "vamos a proporcionar una herramienta de diseño que se puede utilizar para otros vehículos".

El control de flujo activo podría usarse en aviones de ala mixta, como este propuesto avión cisterna de reabastecimiento de combustible sigiloso.

El alcance de CRANE tiene límites específicos. El X-plane de Aurora seguirá teniendo controles convencionales básicos para el despegue y el aterrizaje. Cambiará al control AFC una vez que esté en el aire en crucero. No pretende ser un vehículo altamente maniobrable, sino más bien una plataforma para demostrar la eficacia del AFC con miras a una posible eficiencia aerodinámica y beneficios de gran sustentación.

"Lo único que nos interesa es la capacidad de control del avión", subraya Wleizen.

Esto contrasta con la reciente demostración de un pequeño dron sin cola controlado por AFC en el Instituto de Tecnología de Illinois, donde los investigadores demostraron su capacidad para maniobrar en ángulos de ataque elevados utilizando el soplado de coanda de vanguardia.

Los resultados del programa son intrigantes, pero no necesariamente se traducen en aviones controlados por AFC a gran escala que tendrían números de Reynolds significativamente diferentes.

El X-plane de Aurora en realidad está destinado a "entregar herramientas a DARPA" y al sector aeroespacial en general, dice Drozeski. "El verdadero resultado del programa no es sólo que nuestro avión vuele, sino que coloque una estaca en el suelo que demuestre que las herramientas son correctas".

Drozeski y Uleck coinciden en que las herramientas y técnicas del AFC llegarán a los aviones, convencionales o no. Inicialmente, esto será para lograr objetivos únicos como el sigilo, el rendimiento de elevación y la eficiencia energética, en lugar de un avión totalmente controlado por AFC.

Ninguno de los dos niega que dicha integración podría verse en los aviones que Boeing está desarrollando, incluido el avión Transonic Truss-Braced Wing que está desarrollando con la NASA o los conceptos combinados de ala y cuerpo que está desarrollando para aviones de transporte estratégicos y aviones cisterna de reabastecimiento de combustible en vuelo. En el futuro, una gama de aviones de diferentes configuraciones, desde eVTOL de movilidad aérea avanzada hasta cazas de sexta generación, podrían teóricamente beneficiarse de una capacidad creciente del AFC para fases específicas de vuelo y misión.

Las alas de gran aspecto, como este concepto de ala reforzada de Boeing, podrían utilizar tecnologías de control de flujo activo para mejorar el rendimiento (Foto: Boeing)

“Si tenemos éxito”, dice Drozeski, “esperamos que los datos sean utilizados por un diseñador de aviones que esté diseñando un nuevo avión de reabastecimiento aéreo, no tripulado o eVTOL. Utiliza los datos y se da cuenta: "Podría tener una cola más pequeña, podría tener una velocidad de pérdida más lenta y un mayor peso de retorno a un portaaviones".

AFC es un concepto antiguo y recién ahora estamos comenzando a comprender su potencial como mecanismo de control basado en condiciones o como metodología de control de vehículos independiente. El DARPA y el Aurora X-plane son un siguiente paso importante en el camino para hacer del AFC un instrumento más en la caja de herramientas del diseñador de aviones.