El diseño de la aeronave está lleno de compromisos. En el caso del diseño de la nariz del avión, el factor principal es reducir la resistencia. La principal diferencia está en el régimen de flujo, es decir, subsónico y supersónico. Existen diferentes tipos de arrastre de arrastre de piel (o fricción), arrastre de forma y arrastre de onda (que se vuelve importante solo a velocidades supersónicas).
Para el flujo subsónico , los componentes de arrastre principales son la primera fricción de dos capas y el arrastre de forma. Aquí, si consideramos que el fuselaje es un cilindro con la punta delantera (que es una aproximación bastante buena), la configuración de punta roma proporciona un coeficiente de arrastre menor (resistencia no dimensional) en comparación con la nariz cónica o afilada. Esto significa que todas las demás cosas son iguales, la nariz roma tiene menos resistencia en comparación con las afiladas en el flujo subsónico. En particular, la nariz roma tiene menor área de superficie en comparación con las afiladas y largas y, por lo tanto, menor fricción de la piel.
Coeficientes que indican la resistencia a la presión del cuerpo de una serie de cuerpos cilíndricos. En la figura anterior, puede ver que la nariz roma es realmente mejor en comparación con una nariz afilada en lo que respecta a la resistencia.
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Entonces, por debajo de la velocidad del sonido, las narices romas tienen el menor arrastre.
Por encima de la velocidad del sonido, las narices afiladas tienen el menor arrastre debido a la presencia de una onda de choque. Una nariz afilada hace que sea más fácil y económico volar a velocidades supersónicas.
Una vez que se haya decidido por una nariz redondeada, encontrará un gran uso para ella: albergar la antena del radar meteorológico, que es un plato bastante grande. Delante está el radomo, una estructura abovedada de fibra de vidrio que permite la transmisión y recepción de microondas desde la antena del radar meteorológico sin mucha atenuación.
El radar meteorológico es un salvavidas en todos los aviones comerciales y es un avance muy importante en seguridad.
Si la nariz hubiera sido diseñada para ser puntiaguda, nos habríamos rascado la cabeza preguntándonos dónde ubicar la antena del radar meteorológico, ¡porque es la antena más grande de todas en el avión!
El plato de antena de radar meteorológico en un avión comercial típico. Todos los aviones de hoy en operaciones comerciales tienen esta antena montada aquí.
Y, oh, el transbordador espacial tenía una nariz roma . ¡Deliberadamente!
En 1953, Estados Unidos explotó la primera bomba de hidrógeno. Esto inmediatamente estimuló el desarrollo de misiles balísticos intercontinentales de largo alcance (ICBM) para entregar tales bombas.
Los ingenieros estaban lidiando en secreto con las dificultades casi insuperables de diseñar los primeros ICBM. Crear un cohete con suficiente potencia y precisión para lanzar una ojiva nuclear de varias toneladas a objetivos en la Unión Soviética, a unas 6,000 millas de distancia, ya era bastante difícil. Pero otro problema era igual de desalentador: cómo asegurarse de que la ojiva sobreviviera a su reentrada a alta velocidad desde el borde del espacio. Al chocar contra la atmósfera superior a 20 veces la velocidad del sonido, la cabeza nuclear se encontraría con una tremenda fricción, creando temperaturas de 12,000 grados Fahrenheit.
Estos vehículos fueron diseñados para volar fuera de la región de la atmósfera terrestre a distancias de 5000 millas o más y para volver a entrar en la atmósfera a velocidades suborbitales de 20,000 a 22,000 pies / s. A velocidades tan altas, el calentamiento aerodinámico del vehículo de reentrada se vuelve severo, y este problema de calentamiento dominó las mentes de los aerodinámicos de alta velocidad.
Tendría que crearse un cono de nariz protector; la pregunta era, ¿de qué tipo?
Su primer pensamiento fue convencional: un cuerpo de reentrada delgado y puntiagudo. Esfuerzos para minimizar el calentamiento aerodinámico centrado en el mantenimiento del flujo de la capa límite laminar en la superficie del vehículo; dicho flujo laminar produce mucho menos calentamiento que el flujo turbulento.
Sin embargo, la naturaleza prefiere mucho el flujo turbulento, y los vehículos de reentrada no son una excepción. Cuando se probaron modelos de formas de punta de aguja en túneles de viento, los resultados fueron desalentadores: cuando los números de Mach se aproximaban a los esperados para una reentrada ICBM real, las puntas de los conos nasales comenzaron a derretirse. Algo estaba mal con la sabiduría convencional, y encontrar una solución requeriría un pensador poco convencional.
Había tal ingeniero en el Centro de Investigación Ames, un Comité Asesor Nacional para las instalaciones de Aeronáutica cerca de San Francisco, donde los investigadores estaban explorando los límites de los vuelos de alta velocidad. Era un californiano exuberante y exuberante llamado H. Julian Allen, conocido por sus colegas como Harvey, un apodo tomado del conejo invisible en la obra de Broadway. Al hablar con él, sus colegas percibieron su mente ágil; en una conversación podría saltar de la aerodinámica a Rachmaninoff (un pianista consumado, Allen interpretaría una pieza y desafiaría a sus amigos a adivinar el compositor).
Pero su verdadero genio era la aeronáutica. Había ayudado a diseñar el P-51 Mustang, uno de los luchadores más exitosos de la Segunda Guerra Mundial. Antes de que las primeras explosiones sónicas resonaran en la Base Edwards de la Fuerza Aérea en el desierto de Mojave, Allen estaba pensando en cómo romper la barrera del sonido, y en 1952, como jefe de la División de Investigación de Alta Velocidad de Ames, estaba explorando el campo de la hipersónica: vuelo a velocidades entonces inalcanzables por encima de Mach 5. “Harvey era tan amplio en su capacidad de pensar”, recuerda el compañero aerodinámico de Ames Jack Boyd. “Me parece que siempre estuvo cinco o seis años por delante de todos los demás”.
Como asesor en el programa secreto de ICBM, Allen era muy consciente del problema de reentrada de ojivas, y fue exactamente el tipo de situación en la que prosperó. “Era muy, muy fuerte en aerodinámica”, dice Jim Arnold, un aerodinámico que llegó a Ames en 1962. “Pero también tuvo la amplitud para comprender la física que estaba sucediendo”. Muchos aerodinámicos, comienzas a hablar sobre los procesos de gases y las reacciones químicas que ocurren, simplemente parpadean, porque realmente funcionan en un mundo de gas perfecto [idealizado], donde esos efectos no son importantes. Pero entendió lo que sucederá cuando empiece a pasar de, digamos, Mach 1, al que se acercaba el P-51 en una inmersión, a Mach 25. Entendió lo que sucederá cuando esos vehículos vayan rápido “.
Más que la mayoría de sus colegas, Allen estaba igualmente en casa en los ámbitos teórico y experimental. Atacó el problema de reentrada no con un túnel de viento sino con lápiz y papel. Después de pasar varios años estudiando los detalles del flujo de aire alrededor de los aviones supersónicos, ahora consideró cómo una ojiva entrante interactuaría con la atmósfera superior. A medida que la ojiva se desaceleraba, gran parte de su energía cinética se convertiría en calor. Pero Allen se dio cuenta de que lo que hacía que las formas de baja resistencia fueran una ventaja en el vuelo supersónico, un mínimo de resistencia, era una responsabilidad en el vuelo hipersónico. La nariz puntiaguda generaba solo una delgada onda de choque de gas comprimido, que proporcionaba poca protección contra el aire intensamente calentado a su alrededor; La cantidad de calor que llegaba a la cabeza nuclear era mucho mayor de lo que cualquier material conocido podría soportar. Allen se dio cuenta de que la respuesta era reducir la velocidad de reingreso creando la mayor cantidad de resistencia posible, lo que podría lograrse usando una forma contundente. El resultado sería una onda de choque espesa e independiente que aislaría a la cabeza nuclear de la mayor parte del calor generado por su desaceleración.
Para el verano de 1952, él y Al Eggers, uno de sus jóvenes ingenieros, estaban inmersos en un estudio matemático del problema. Sus resultados dieron vuelta a la sabiduría convencional. “No solo deben evitarse los cuerpos puntiagudos”, escribieron en un artículo clasificado de 1953, “sino que la nariz redondeada debería tener el radio más grande posible”.
Su pensamiento fue estimulado por los siguientes conceptos. Al comienzo de la reentrada, cerca del borde exterior de la atmósfera, el vehículo tiene una gran cantidad de energía cinética debido a su alta velocidad y una gran cantidad de energía potencial debido a su gran altitud. Sin embargo, cuando el vehículo llega a la superficie de la tierra, su velocidad es relativamente pequeña y su altitud es cero; por lo tanto, prácticamente no tiene energía cinética o potencial.
¿A dónde se ha ido toda la energía? La respuesta es que ha entrado en (1) calentar el cuerpo y (2) calentar el flujo de aire alrededor del cuerpo. Aquí, la onda de choque desde la nariz del vehículo calienta el flujo de aire alrededor del vehículo; Al mismo tiempo, el vehículo se calienta por la intensa disipación por fricción dentro de la capa límite en la superficie.
Allen razonó que si más de la energía de reentrada total pudiera ser vertida en el flujo de aire, entonces habría menos disponible para ser transferida al vehículo en forma de calefacción. A su vez, la forma de aumentar el calentamiento del flujo de aire es crear una onda de choque más fuerte en la nariz (es decir, usar un cuerpo de nariz roma). El contraste entre cuerpos de reentrada delgados y romos se ilustra en la figura.
Contraste de calefacción aerodinámica para vehículos de reentrada delgados y contundentes. (a) Cuerpo delgado de reentrada. (b) Cuerpo de reentrada romo.
Esta fue una conclusión sorprendente: para minimizar el calentamiento aerodinámico, en realidad quieres un cuerpo contundente en lugar de delgado . El resultado fue tan importante que fue incluido en un documento secreto del gobierno. Además, debido a que era tan extraño a la intuición contemporánea, el concepto de cuerpo de reentrada romo fue aceptado gradualmente por la comunidad técnica.
Cómo la nave espacial tomó su forma