Unstart - Unstart
En aerodinámica supersónica , un arranque se refiere a una ruptura generalmente violenta del flujo de aire supersónico. El fenómeno ocurre cuando la tasa de flujo másico cambia significativamente dentro de un conducto. Evitar los arranques es un objetivo clave en el diseño de las tomas de aire del motor (inlets US) de las aeronaves supersónicas que navegan a velocidades superiores a Mach 2.2.
Etimología
El término se originó durante el uso de los primeros túneles de viento supersónicos . “Iniciar” el túnel de viento supersónico es el proceso en el que el aire se vuelve supersónico; La puesta en marcha del túnel de viento es el proceso inverso. Las ondas de choque que se desarrollan durante el proceso de inicio o no inicio pueden visualizarse con técnicas ópticas schlieren o shadowgraph .
En tomas de motores de aviones
El diseño de algunas tomas de aire para aviones supersónicos se puede comparar con el de los túneles de viento supersónicos y requiere un análisis cuidadoso para evitar interrupciones. A altas velocidades supersónicas (generalmente entre Mach 2 y 3), las tomas con compresión interna están diseñadas para tener un flujo supersónico aguas abajo del plano de captura de la toma de aire. Si el flujo másico a través del plano de captura de la admisión no coincide con el flujo másico aguas abajo en el motor, la admisión no arrancará. Esto puede causar una pérdida de control violenta y temporal hasta que se reinicie la ingesta.
Pocos aviones, aunque muchos misiles propulsados por ramjet, han volado con entradas que tienen una compresión supersónica dentro del conducto de entrada. Estas tomas, conocidas como tomas de compresión mixta, tienen ventajas para las aeronaves que navegan a Mach 2.2 y más. La mayoría de las tomas de aire de los aviones supersónicos comprimen el aire externamente, por lo que no arrancan y, por lo tanto, no tienen modo de arranque. Las tomas de compresión mixta tienen la compresión supersónica inicial externamente y el resto dentro del conducto. Por ejemplo, las tomas del B-70 Valkyrie tenían una relación de compresión externa (cr) en M3 de 3,5 y una cr interna de aproximadamente 6,6, seguida de difusión subsónica. El Lockheed SR-71 Blackbird y XB-70 Valkyrie tenían un comportamiento de arranque muy publicitado. Otros aviones que han volado con compresión interna incluyen el Vought F-8 Crusader III, el misil de crucero SSM-N-9 Regulus II y el B-1 Lancer .
Se consideró la compresión interna parcial para el Concorde (el Comité de Aeronaves de Transporte Supersónico, en 1959, había recomendado una SST para navegar a Mach 2.2) pero se eligió una "configuración externa por la estabilidad inherente de su sistema de amortiguación, no tenía modo sin arranque" . A pesar de que hubo algo de compresión interna terminada por un choque normal local en la ranura de purga de la capa límite de la rampa dentro de la admisión, la admisión se autocompensaba aerodinámicamente sin rastro de ningún problema de arranque. Al principio del desarrollo del B-1 Lancer, su admisión mixta externa / interna se cambió a una externa, técnicamente más segura pero con un pequeño compromiso en la velocidad de crucero. Posteriormente, tuvo tomas fijas para reducir la complejidad, el peso y el costo.
El trabajo de la década de 1940, por ejemplo de Oswatitsch, mostró que la compresión supersónica dentro de un conducto, conocida como difusor supersónico, se vuelve necesaria en M2-3 para aumentar la recuperación de presión sobre la que se puede obtener con la compresión externa. A medida que la velocidad de vuelo aumenta de manera supersónica, el sistema de choque es inicialmente externo. Para el SR-71 esto fue hasta aproximadamente M1.6 a M1.8 y M2 para el XB-70. Se dice que la ingesta no ha comenzado. Un aumento adicional de la velocidad produce velocidades supersónicas dentro del conducto con un impacto plano cerca de la garganta. Se dice que se inicia la ingesta. Las perturbaciones aguas arriba o aguas abajo, como ráfagas / gradientes de temperatura atmosférica y cambios en el flujo de aire del motor, tanto intencionales como no intencionales (por sobretensiones), tienden a hacer que el impacto se expulse casi instantáneamente. La expulsión del choque, conocida como un arranque, hace que toda la compresión supersónica tenga lugar externamente a través de un choque de un solo plano. La admisión ha cambiado en una fracción de segundo desde su configuración más eficiente con la mayor parte de su compresión supersónica teniendo lugar dentro del conducto a la menos eficiente, como lo muestra la gran pérdida en la recuperación de presión, de aproximadamente 80% a aproximadamente 20% a velocidades de vuelo M3. . Hay una gran caída en la presión de admisión y una pérdida de empuje junto con una pérdida temporal de control de la aeronave.
No debe confundirse con un arranque, con su gran pérdida de presión en el conducto, es la sobrepresión del conducto resultante de un golpe de martillo. A velocidades por debajo de la velocidad de arranque de admisión, o en aeronaves con tomas de compresión externas, la sobretensión del motor o la parada del compresor pueden causar un golpe de martillo. Por encima de la velocidad de arranque de la admisión, las paradas sin arranque pueden causar paradas dependiendo de la complejidad del diseño de los sistemas de admisión. Los golpes de martillo han causado daños a las tomas. Por ejemplo, el F-107 norteamericano durante el vuelo a alta velocidad experimentó un aumento repentino del motor que dobló las rampas de admisión. El Concorde , durante las pruebas de vuelo de desarrollo, experimentó un daño significativo en una góndola después de que ambos motores se dispararon.
Intencional
Cuando ocurrió un arranque en el SR-71, una gran cantidad de arrastre de la góndola sin arrancar causó un balanceo / guiñada extremo. La aeronave tenía un procedimiento de reinicio automático que equilibraba la resistencia al desarmar la otra admisión. Esta ingesta tenía su propia tremenda cantidad de resistencia, con el pico completamente hacia adelante para capturar la onda de choque frente a la ingesta.
Evitación
La desaceleración de M3 requirió una reducción del empuje que podría desarmar una admisión con el flujo de aire reducido del motor. El procedimiento de descenso del SR-71 utilizó flujos de derivación para dar un margen sin arranque a medida que se reducía el flujo del motor.
La reducción de empuje en el XB-70 se logró manteniendo el flujo del motor estable al 100% de rpm incluso con el ralentí seleccionado con el acelerador. Esto se conoció como "bloqueo de rpm" y el empuje se redujo aumentando el área de la boquilla. La velocidad del compresor se mantuvo hasta que la aeronave se redujo a M1.5.
Bases teóricas
Usando una definición más teórica, unstart es el fenómeno de asfixia supersónico que ocurre en conductos con un flujo másico aguas arriba mayor que el flujo másico aguas abajo. El flujo inestable se produce ya que el desajuste en el flujo másico no puede propagarse gradualmente aguas arriba en contraste con el flujo subsónico . En cambio, en el flujo supersónico, el desajuste se lleva adelante detrás de una onda de choque 'normal' o terminal que hace que el flujo de gas se vuelva subsónico abruptamente. La onda de choque normal resultante se propaga corriente arriba a una velocidad acústica efectiva hasta que el desequilibrio de flujo alcanza el equilibrio.
Hay otras formas de conceptualizar unstart que pueden resultar útiles. Unstart se puede pensar alternativamente en términos de una presión de estancamiento decreciente dentro de un conducto supersónico; por lo que la presión de estancamiento aguas arriba es mayor que la presión de estancamiento aguas abajo. Unstart también es el resultado de una reducción del tamaño de la garganta en los conductos supersónicos. Es decir, la garganta de entrada es más grande que la garganta de difusión. Este cambio en el tamaño de la garganta da lugar a la disminución del flujo másico que define un arranque.
La reacción de asfixia de unstart da como resultado la formación de una onda de choque dentro del conducto.
Choque inestabilidad o zumbido
Bajo ciertas condiciones, la onda de choque en el frente o dentro de un conducto puede ser inestable y oscilar corriente arriba y corriente abajo. Este fenómeno se conoce como zumbido . Las ondas de choque más fuertes que interactúan con el fluido de bajo impulso o la capa límite tienden a ser inestables y causan zumbidos. Las condiciones de ruido pueden causar fallas inducidas por la dinámica estructural si los márgenes adecuados no se incorporan en el diseño.
