Si la velocidad máxima fuera una prioridad para los aviones de combate y bombarderos militares modernos, ¿qué tan rápidos serían aproximadamente?

Burt Rutan habla con bastante pasión sobre la falta de innovación en los vuelos espaciales, pero también menciona cómo se ha estancado el rendimiento de la velocidad (máxima) de los aviones de combate:

De hecho, por lo poco que sé respecto a los cazas de quinta generación, no solo se ha estancado la velocidad máxima, sino que se está degradando.

Rasgos como el sigilo prohíben la geometría de admisión variable y la geometría de ala variable, la velocidad máxima parece no usarse nunca en la realidad, probablemente sea costosa y cree otros problemas (solo tenemos que mirar el SR-71 aquí). Además, otras características del motor son probablemente más deseables, como supercrucero y buena aceleración en el rango donde esto es crítico y realmente útil.

Sin embargo, en esta pregunta estoy preguntando cuál sería, aproximadamente (¿mach 4, 5, 6?) La velocidad máxima probablemente sería, si a la velocidad máxima se le asignara un presupuesto similar y una prioridad similar a la de la era de la guerra fría.

La razón por la que siento que esta pregunta puede responderse es que imagino que hay algunos problemas prácticos muy reales con aeronaves de muy alto rendimiento que requieren soluciones extraordinarias para superarlos. Una respuesta que identifique dónde se encuentran aproximadamente contribuiría en gran medida a una respuesta satisfactoria.

Básicamente, el quid de esta pregunta es identificar si ha habido avances aerodinámicos, de motor u otros avances significativos relacionados con el rendimiento que permitirían que un avión de combate viajara significativamente más rápido que, por ejemplo, el F-15 o el MiG-25, al mismo tiempo que retiene el misma funcionalidad que, a saber, los mismos tipos de aeronaves.

De manera similar, para un bombardero, es bien sabido que se puede lograr un vuelo sostenido de Mach 3 mirando, por ejemplo, el XB-70 o el SR-71. Incluso con diseños de los años 50. ¿Qué es realista hoy?

Para que quede claro: no espero una cifra exacta aquí, pero si hay algún estudio que haya investigado esto, sería una lectura muy interesante. Si no hay estudios, tal vez alguien quiera aceptar el desafío y ofrecer una respuesta algo completa como una conjetura de todos modos. Cualquier matemática/física sería genial.

Supongo que para siquiera comenzar a responder esta pregunta, se debe definir qué es un "avión de combate", ¿debe tener un motor de respiración de aire o también puede tener un motor de cohete, similar al X-15? Ya que estoy haciendo la pregunta, también me tomaré la libertad de definir arbitrariamente esto aquí: el tipo de motor es irrelevante, puede haber más de un motor, de diferentes tipos, del mismo tipo. Lo que sea que tenga sentido en el contexto de un avión de combate, o incluso de un bombardero. Además, debe ser una aeronave tripulada. Si puede alcanzar un vuelo suborbital y más allá, como el X-15, sigue siendo un avión (de nuevo, definido arbitrariamente).

Una respuesta que separa la respiración de aire y los motores de cohetes como dos categorías diferentes está bien.

Esta definición de hacer si un avión de combate/bombardero se basa principalmente en querer excluir aviones experimentales no tripulados, incluso si los aviones hipersónicos como el X-43 probablemente sirvan como una buena referencia, siento que tienen poca raíz en la realidad, ya que no tienen soporte vital. , ningún sistema de armas, y quizás ningún propósito práctico más allá del registro de datos.

También puede parecer una pregunta sin sentido, pero esto podría ser bastante útil en términos de cerrar la brecha entre los aviones y las naves espaciales, o cualquier otra aplicación que se pueda pensar: aviones de pasajeros suborbitales, etc.

A menos que especifique un alcance y una capacidad de carga útil, e incluso un perfil de misión, nunca obtendrá nada más práctico que un prototipo de investigación como el x43.
Hablas de que la velocidad máxima se ha "degradado" como si eso fuera algo de lamentar. En realidad, como en todas las cosas, la mejora del rendimiento en un área debe equilibrarse con compromisos en otras, y la velocidad máxima, por encima de Mach 1, tiene una utilidad mínima variable en comparación con otros factores como la maniobrabilidad, la carga útil, el sigilo, el alcance, la resistencia, etc. .... Toda la ventaja de velocidad máxima que te da es la capacidad de huir de otro avión que no puede ir tan rápido como tú, y eso solo si tienes suficiente combustible para usarlo.
@ user3528438 Lo especifiqué indirectamente al dar ejemplos específicos como el F-15 y el MiG-25, aunque estos tienen diferentes cargas útiles, tienen perfiles de misión similares, y los números exactos no son importantes aquí. Siento que el tipo de respuesta aplicable aquí se explica lo suficientemente bien en la pregunta misma.
@Charles Bretana, probablemente sea algo bueno en un contexto que se haya degradado, como usted señala, y negativo en otro. Los desarrollos en la aviación militar también tienden a proporcionar tecnología útil para otros sectores, en particular, un ejemplo sería la tecnología relacionada con el espacio, ya que las empresas que construyen aviones han sido contratadas en el pasado para construir naves espaciales. Cuanto más cerca estén estas tecnologías, más se beneficiarán los vuelos espaciales. Sin embargo, es casi seguro que este no es el único caso en el que esto sería beneficioso.
No sólo no lo sabemos, no podemos saberlo. Si la velocidad fuera una alta prioridad, se habría realizado mucha investigación en estas décadas, con resultados que no podemos predecir; nuevos materiales/combustibles inventados, etc. Incluso a nivel social, si fuera realmente tan importante, la gente aguantaría (¡o no!) las explosiones sónicas, el ruido, etc., más o menos felizmente en diferentes países, con diferentes soluciones en lugar...
@Zeus Lo suficientemente lejos; obviamente tiene razón, que no podemos saber qué investigación adicional podría proporcionar. Sin embargo, todavía debería ser posible proporcionar una conjetura sobre un "límite inferior" de lo que podría hacerse hoy. Si se invirtiera investigación adicional durante estas décadas, sería casi seguro que sería mejor, pero al menos un límite inferior basado en lo que tenemos hoy todavía proporcionaría alguna guía. Además, tal conjetura probablemente señalaría al menos algunos de los problemas que la investigación adicional probablemente no pueda superar fácilmente, como las limitaciones físicas duras que no tienen solución.

Respuestas (2)

Aumentar la velocidad de un avión da como resultado tener que hacer concesiones. El arrastre aumentará como el cuadrado de la velocidad, lo que significa que duplicar la velocidad requerirá 4 veces más potencia para lograrlo. Este problema se ve agravado por el hecho de que es muy difícil diseñar un motor (y un fuselaje) que funcione realmente bien a velocidades supersónicas y que siga funcionando bien a velocidades subsónicas.

Todas las decisiones de diseño siempre terminan en compensaciones. El aumento de la maniobrabilidad generalmente requiere hacer cosas que aumentarán la resistencia, lo que significa que necesitará más potencia para compensar (que luego requiere un motor más grande, lo que reducirá su maniobrabilidad debido al aumento de peso).

Todas estas decisiones significan que, al final, aumentar la velocidad de un luchador requiere inevitablemente la reducción de algo más, ya sea la velocidad de giro, la carga útil del arma o el alcance. Si bien la mejor tecnología nos ha proporcionado motores más potentes y los nuevos materiales y aleaciones nos permiten crear aviones más maniobrables, en realidad hemos visto que las velocidades máximas de los aviones disminuyen en comparación con los aviones de combate anteriores, a pesar de que podríamos crear un avión tan rápido como cualquier cosa del pasado, con mayor maniobrabilidad y carga útil de armas en comparación.

Estas decisiones se toman porque al reducir la velocidad máxima de los aviones, a cambio también obtienen una mejor maniobrabilidad, por lo que es una decisión consciente tomar una mayor carga útil de armas, un mayor alcance y una mayor maniobrabilidad en lugar de una velocidad máxima más alta porque un muy rápido La velocidad máxima no es tan útil en la guerra en comparación con todo lo demás. El reconocimiento (que es para lo que se diseñó el SR-71) se maneja mejor con satélites, que no se pueden derribar en la práctica y no requieren volar sobre el espacio aéreo de otro país de una manera que probablemente provoque su ira. Los bombarderos preferirían llevar una carga útil más grande y ser lo suficientemente rápidos para llegar al objetivo, pero hacerlo mucho más rápido a costa de una carga útil reducida no le permitirá ganar mucho. Lo mismo ocurre con los luchadores, necesitan volar un poco rápido, pero una ventaja de velocidad pura sobre un oponente tampoco es tan útil (en comparación con tener un mejor luchador). Entonces, es una combinación de física y específicamente qué cosas valoran los militares, lo que significa que hay poco valor para aumentar la velocidad puramente.

Gracias por la respuesta, pero esto establece principalmente las razones por las que el aumento de la velocidad máxima no es una prioridad, ya he indicado varias razones para esto en la pregunta en sí, y no es a lo que se refiere la pregunta. El hecho de que la resistencia aumenta como un cuadrado de la velocidad es cierto, sin embargo, la densidad del aire también es un factor allí, y la aeronave simplemente puede aumentar su techo de servicio para mitigar este problema; después de todo, así es como las naves espaciales logran alcanzar la órbita. velocidad, algo que no sería posible a nivel del suelo.
Aumentar el sellado de servicio solo funciona cuando lleva su propio oxidante, en algún momento no hay suficiente aire para sostener la elevación y/o empuje en el motor. Así que hay que hacer concesiones, porque no tenemos aviones que tengan un rendimiento óptimo en todas las altitudes y velocidades. Puedes hacer un avión que vaya muy rápido, a costa de otra cosa. Al final, estás limitado por la misión militar que especificaste anteriormente, lo cual tiene que suceder. Un avión de combate no es un avión de combate si no puede luchar.

Si tomamos el pináculo del desarrollo de aviones convencionales rápidos, el SR71 y el XB70, encontramos que Mach 3 es aproximadamente el límite práctico para el vuelo sostenido, dada la metalurgia actual. Por encima de eso, la temperatura se convierte en el factor limitante, como en la temperatura de fricción, con el revestimiento del avión calentándose hasta 600-800 grados F a un Mach 3 sostenido. Todavía tenemos que desarrollar un material que pueda soportar temperaturas más altas manteniendo tanto el peso ligero y resistencia de titanio (SR71) y acero inoxidable alveolar (XB70). Una falla en el sistema de aire acondicionado de la cabina también significa una reducción considerable de la velocidad o una tripulación bien preparada muy rápidamente.

El aire lanzó X15 a velocidades sostenidas superiores a Mach 6, pero solo por períodos de tiempo muy cortos, unos pocos minutos... el combustible era el factor limitante allí. El X15 no pudo sostener Mach 6 el tiempo suficiente para que la temperatura excediera su diseño, mientras que el SR71 y el XB70 pudieron sostener Mach 3 durante más de una hora. Si el X15 hubiera podido mantener Mach 6, habría encontrado problemas de calor muy serios, en lugar de los problemas de calor algo serios que experimentó en sus carreras cortas a alta velocidad.

Entonces, con la tecnología actual, Mach 3 es el límite práctico para un vuelo sostenido. Más allá de eso, los problemas aumentan exponencialmente. Y eso sin entrar en el gasto... recuerde que el SR71 requería un JP7 especial de alto punto de inflamación, además de aceite especial, y mucho más. Se retiró en gran parte debido a los gastos de operación.

¿Qué impide que una aeronave/nave espacial propulsada por cohetes simplemente se acerque a altitudes suborbitales (o más altas) para evitar el problema del calor?
A medida que disminuye la densidad del aire, el tipo de motor necesario para propulsar la aeronave se vuelve diferente. Un motor de turbina a reacción depende de poder ingerir aire (y por lo tanto no requiere un tanque oxidante) para funcionar. Este mismo aire que usa un motor a reacción para generar empuje es lo que causa los problemas con el calor. Para que el aire se queme correctamente en una turbina estándar, debe reducirse a velocidades inferiores a mach 1. A medida que se eleva a aproximadamente Mach 2.5+, los motores de aire ram comienzan a ser más eficientes.
Si la velocidad máxima fuera una prioridad para los aviones de combate y bombarderos militares modernos, ¿qué tan rápidos serían aproximadamente?
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