Pliegue de mach
Mach tuck es un efecto aerodinámico por el cual el morro de un avión tiende a inclinarse hacia abajo a medida que el flujo de aire alrededor del ala alcanza velocidades supersónicas. Esta tendencia a sumergirse también se conoce como meterse hacia abajo. El avión experimentará este efecto por primera vez a una velocidad significativamente inferior a Mach 1.
Causas
El pliegue del ala generalmente es causado por dos cosas: un movimiento hacia atrás del centro de presión del ala y una disminución en la velocidad de descenso del ala en el plano de cola, los cuales causan un momento de cabeceo con el morro hacia abajo. Para el diseño de una aeronave en particular, solo uno de estos puede ser significativo al causar una tendencia a bucear—por ejemplo, un avión con alas delta sin plano de proa ni plano de cola en el primer caso, y el Lockheed P-38 en el segundo caso. Alternativamente, un diseño particular puede no tener una tendencia significativa, como la beca Fokker F28.
A medida que un perfil aerodinámico que genera sustentación se mueve a través del aire, el aire que fluye sobre la superficie superior acelera a una velocidad local más alta que el aire que fluye sobre la superficie inferior. Cuando la velocidad del avión alcanza su número crítico de Mach, el flujo de aire acelerado alcanza localmente la velocidad del sonido y crea una pequeña onda de choque, aunque el avión todavía viaja por debajo de la velocidad del sonido. La región frente a la onda de choque genera una gran elevación. A medida que el avión vuela más rápido, la onda de choque sobre el ala se vuelve más fuerte y se mueve hacia atrás, creando una gran sustentación más atrás a lo largo del ala. Es este movimiento de sustentación hacia atrás lo que hace que la aeronave se doble o se incline con el morro hacia abajo.
La gravedad del plegado de Mach en cualquier diseño determinado se ve afectada por el grosor del perfil aerodinámico, el ángulo de barrido del ala y la ubicación del plano de cola en relación con el ala principal.
Un plano de cola colocado más atrás puede proporcionar un mayor momento estabilizador de cabeceo.
El camber y el grosor de la aerofoil afectan el número crítico de Mach, con una superficie superior más curvada que causa un número de Mach crítico inferior.
En un ala en flecha, la onda de choque generalmente se forma primero en la raíz del ala, especialmente si está más curvada que la punta del ala. A medida que aumenta la velocidad, la onda de choque y la sustentación asociada se extienden hacia afuera y, a medida que el ala se mueve, hacia atrás.
El flujo de aire cambiante sobre el ala puede reducir la corriente descendente respecto a un plano de cola convencional, promoviendo un momento de cabeceo más fuerte con el morro hacia abajo.
Otro problema con un estabilizador horizontal independiente es que él mismo puede lograr un flujo supersónico local con su propia onda de choque. Esto puede afectar el funcionamiento de una superficie de control de ascensor convencional.
Las aeronaves sin suficiente autoridad de profundidad para mantener el equilibrio y el nivel de vuelo pueden entrar en una caída pronunciada, a veces irrecuperable. Hasta que el avión sea supersónico, la onda de choque superior más rápida puede reducir la autoridad del elevador y los estabilizadores horizontales.
El Mach Tuck puede ocurrir o no dependiendo del diseño de la aeronave. Muchos aviones modernos tienen poco o ningún efecto.
Recuperación
La recuperación a veces es imposible en aviones subsónicos; sin embargo, a medida que una aeronave desciende a un aire más bajo, más cálido y más denso, la autoridad de control (es decir, la capacidad de controlar la aeronave) puede regresar porque la resistencia tiende a desacelerar la aeronave mientras que la velocidad del sonido y la autoridad de control aumentan.
Para evitar que la pérdida de Mach progrese, el piloto debe mantener la velocidad aérea por debajo del número de Mach crítico del tipo reduciendo el empuje, extendiendo los frenos de aire y, si es posible, extendiendo el tren de aterrizaje.
Características de diseño
Se utilizan varias técnicas de diseño para contrarrestar los efectos del Mach tuck.
En las configuraciones de plano de cola convencional y plano de proa canard, el estabilizador horizontal puede hacerse lo suficientemente grande y potente para corregir los grandes cambios de compensación asociados con el plegado Mach. En lugar de la superficie de control del ascensor convencional, todo el estabilizador puede hacerse móvil o "totalmente volador", lo que a veces se denomina estabilizador. Esto aumenta la autoridad del estabilizador en un rango más amplio de cabeceo de la aeronave, pero también evita los problemas de control asociados con un elevador separado.
Los aviones que vuelan supersónicos durante períodos prolongados, como el Concorde, pueden compensar el retroceso de Mach moviendo combustible entre los tanques en el fuselaje para cambiar la posición del centro de masa para que coincida con la ubicación cambiante del centro de presión, minimizando así la cantidad de ajuste aerodinámico requerido.
Un trimmer de Mach es un dispositivo que varía el trim de cabeceo automáticamente en función del número de Mach para oponerse al retroceso de Mach y mantener el vuelo nivelado.
Historia
Los cazas más rápidos de la Segunda Guerra Mundial fueron los primeros aviones en experimentar Mach Tuck. Sus alas no fueron diseñadas para contrarrestar la plegado de Mach porque la investigación sobre perfiles aerodinámicos supersónicos apenas estaba comenzando; En el ala estaban presentes áreas de flujo supersónico, junto con ondas de choque y separación de flujo. Esta condición se conocía en ese momento como burbujeo de compresibilidad y se sabía que existía en las puntas de las hélices a altas velocidades de los aviones.
El P-38 fue uno de los primeros 400 mph luchadores, y sufrió más que los problemas habituales de dentición. Tenía un ala gruesa y elevada, booms gemelos distintivos y una única góndola central que contenía la cabina y el armamento. Se aceleró rápidamente a la velocidad terminal en una inmersión. El fuselaje corto tuvo un efecto perjudicial en la reducción del número crítico de Mach de la sección del centro de alas de 15% de espesor con altas velocidades sobre el recipiente añadiendo a los de la superficie superior del ala. Mach tuck ocurrió a velocidades superiores a Mach 0.65; el flujo de aire sobre la sección del centro de alas se convirtió en transónico, causando una pérdida de ascensor. El cambio resultante en el lavado de la cola causó un momento de lanzamiento de la nariz hacia abajo y la inmersión a empinar (Mach tuck). El avión era muy estable en esta condición haciendo muy difícil la recuperación de la inmersión.
Se agregaron flaps de recuperación de buceo (auxiliares) en la parte inferior del ala (P-38J-LO) para aumentar la sustentación del ala y la corriente descendente en la cola para permitir la recuperación de inmersiones transónicas.