¿Por qué Harrier tiene boquillas de escape calientes divididas?

Esta es una nueva publicación después de que las preguntas originales se consideraran demasiado complicadas.

ingrese la descripción de la imagen aquíHawker Sea Hawk fotografiado por Smudge 9000 bajo licencia CC-SA 2.0.

Los Harriers parecen heredar elementos de Sea Hawk, que el escape de un solo motor se desvía a dos escapes laterales.

@Peter Kämpf respondió a mi pregunta anterior de que Harrier se basó básicamente en el motor Bristol/RR Pegasus, que se inspiró en el ensamblaje Gyroptere VTOL de Michel Wibault.

ingrese la descripción de la imagen aquí

De "SA WIBAULT FRANCES-GERMAN SOUCUPE 'GYROTER'?" (1944) por Rob Arndt

ingrese la descripción de la imagen aquíDisposición del Pegaso. Dominio publico.

Sin embargo, noté el contraste entre dos diseños. Gyroter es más un elevador impulsado por eje como (X) F-35, en contraste con el elevador directo de Harriers. El escape caliente del Gyroter sale directamente por la popa en una sola boquilla circular. Las boquillas de escape frías podrían tener posiciones más adelantadas que los Harriers, lo que permitiría colocar el motor central más hacia atrás, en lugar de cerca del CoM, mientras se mantiene el equilibrio de empuje.

@Carlo Felicione, en su respuesta a ¿ Por qué el avión Harrier tiene cuatro trenes de aterrizaje? , dijo que las dos boquillas de popa obligaron a Harriers a adaptar trenes de aterrizaje de bicicletas.

ingrese la descripción de la imagen aquíPrimer plano de P.1127 Kestrel (prototipo Harrier) fotografiado por Alan Wilson bajo licencia CC-SA 2.0.

Puede ver el espacio limitado para la bahía del tren de aterrizaje trasero. Además, el ancho del conjunto de cola está directamente limitado por la separación de las boquillas traseras. También necesita protección adicional contra el calor.

También en la pregunta ¿Es posible modificar un AV-8B Harrier II a un avión supersónico aplicando alguna modificación? @Aeroailas ha mostrado el motor BS100, diseñado para el sucesor supersónico P.1154 de los Harriers, añadiendo quemadores de popa a los bypass fríos (PCB) para vuelos supersónicos.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Fuente: aeromodelbasic.blogspot.com

Y encontré P.1216 , un descendiente mejorado de P.1154. En Wikipedia se explica el cambio:

El problema con el uso de PCB era que su empuje desarrollaba considerablemente más calor, ruido y vibraciones inducidas por empuje en comparación con el producido en el Harrier. Como resultado, la configuración del fuselaje trasero empleada en el Harrier no era adecuada. A partir de 1980, el equipo de diseño comenzó a investigar posibles soluciones. Al eliminar la mayor parte de la parte trasera del fuselaje como se propuso en los diseños anteriores de P.1212 y P.1214, desarrollaron un fuselaje pequeño y corto con brazos gemelos que eliminaron los planos de cola para que no estuvieran directamente en el camino del escape del motor. Se adoptó una solución similar al problema de las tres boquillas en el último prototipo de interceptor supersónico VTOL YAK-141.

La configuración permitía dos boquillas en la parte delantera y un solo escape trasero giratorio de 90 grados que era más eficiente que tener que dividirlo en las boquillas traseras gemelas que se usan en el Harrier. Los brazos proporcionaron una ubicación de baja resistencia para el transporte de cañones en la parte delantera, así como misiles y aviónica, al mismo tiempo que protegían los escapes de los jets de los misiles buscadores de calor. En lugar del motor Pegasus cuyo diseño se remonta a la década de 1950, el diseño utilizó el Rolls-Royce RB.422.48 con PCB instalado solo en las boquillas delanteras. El diseño permitió quitar el motor sin necesidad de quitar el ala como en el Harrier.

Fuente: Buttler, Tony (2017). Proyectos secretos británicos: aviones de combate desde 1950 (2ª edición) (tapa dura). Mánchester: Crecy Publishing. ISBN 978-1-910-80905-1.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Conceptos ASTOVL de BAE. Dominio publico.

Así que aquí está mi pregunta: ¿Por qué el motor Pegasus tiene dos boquillas de popa (calientes) ampliamente separadas en lugar de una TVN recta? ¿Por qué los Harriers colocan su conjunto de cola entre tales boquillas?

¿No sería mejor tener escapes de popa:

  1. ¿ En los lados inferiores en la popa más alejada como Yak-38?ingrese la descripción de la imagen aquí

Subido por Tosaka bajo licencia CC-A 3.0.

  1. ¿Entre dos brazos de cola como P.1216, Yak-43/141 y (X)F-35?ingrese la descripción de la imagen aquí

Archivado en la colección Roy Cochrun

  1. ¿Enfundado en el conducto de escape como X-32?

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sistema de energía de Boeing X-32, archivado por globalsecurity.org.

  1. ¿O elevar el ensamblaje de la cola como Phantoms?

ingrese la descripción de la imagen aquí

F-4K con turboventiladores británicos Spey. Dominio publico.

Cualquiera de ellos eliminará los obstáculos del requisito de fuerza, la protección contra el calor, los trenes de aterrizaje de bicicletas y la pérdida de empuje.

Respuestas (2)

El gran problema que enfrenta VTOL es lograr que la relación empuje-peso supere la unidad. Entonces, cualquier cosa que reduzca el empuje o agregue peso es mala. El P.1127/Harrier, siendo la primera solución practicable, estaba incómodamente cerca del límite.

Los tubos de escape largos desperdician energía y reducen el empuje, por lo que tenía que ser corto. Pero un fuselaje trasero largo se interpone en el camino. La solución de De Havilland con el Vampire convencional había sido dividir la cola, y esto algún día también se adoptaría para el proyecto Hawker P.1216 VTOL y el actual F-35 Lightning II. Pero a Sidney Camm de Hawker le preocupaba en ese momento que agregaría demasiado peso. Así que su solución para el Hawker Sea Hawk había sido dividir el tubo de escape. Había funcionado muy bien, quizás mejor de lo esperado. Mientras tanto, no se probó un sistema complejo de anillos múltiples para la vectorización de empuje, como el que se usa en el F-35, y planteó un riesgo tecnológico significativo para el proyecto. Las boquillas divididas necesitarían solo una sola junta giratoria cada una, lo que reduciría mucho el riesgo. Así que quería conservarlos para su diseño VTOL.

El diseño también tenía la ventaja de una corriente de aire de elevación motorizada de "cuatro postes", que ayudó a hacer que el vuelo estacionario fuera más estable y controlable, otra característica vital en esos días de ignorancia pionera de VTOL. Rolls-Royce construyó su plataforma de prueba de vuelo libre "soporte de cama voladora" para desarrollar los sistemas de control necesarios.

Todo funcionó. El P.1127 se convirtió en el primer jet VTOL práctico del mundo.

¿Sería posible tener una cola muy por encima del tubo de escape?
@CrystallizedRefresher Posible pero imprudente. Aumenta el área frontal y el riesgo de pérdida profunda.

¿Por qué Harrier tiene boquillas de escape calientes divididas?

Porque un escape trasero central está demasiado lejos de los dos escapes delanteros que son alimentados por aire de derivación. El escape dividido hace que todos los conductos sean afortunadamente cortos, por lo que la estructura del avión puede ser liviana y compacta. No olvide que el gas a presión no se puede canalizar en las tuberías de aire acondicionado; necesita tuberías de alta presión para hacerlo. Como dije en esta respuesta , el P1127 apenas pudo flotar con 700 libras de equipo desmontado y combustible durante 3 minutos. Un conducto largo y pesado para gas a presión estaba completamente fuera de discusión.

Con respecto al recalentamiento del P1154: esto siempre fue un sueño imposible y el avión habría derretido sus neumáticos mucho antes de que hubiera estado en el aire. A continuación, la protección contra incendios de la estructura del fuselaje habría requerido una panza de titanio y pantallas de aire presurizado para limitar el calentamiento estructural. Esto fue demostrado por el VJ-101 X2 (que tenía posquemadores en sus motores encapsulados) donde las cargas de calor en vuelo estacionario con recalentamiento eran inmanejables.

Un escape de cola central solo es factible con mucha sustentación cerca de la punta del fuselaje. Tenga en cuenta que el F-35B crea más sustentación con su ventilador delantero que con su boquilla trasera. Pero este tipo de complejidad es necesario si se va a utilizar el recalentamiento para vuelos supersónicos. Y el uso de dos motores conllevará el riesgo de una caída irrecuperable en caso de falla del motor. Cuando el motor falla en un solo chorro VTOL durante el vuelo estacionario, el piloto aún puede expulsar con seguridad. No así si se utilizan dos motores.