¿Por qué las hélices que giran hacia arriba en el F-82 Twin Mustang causaron una pérdida de sustentación en la sección central del ala?

No estoy seguro de que la historia provista en el artículo de Wikipedia sea completamente precisa, por el hecho de que ambos motores en una configuración de rotación inversa de dos propulsores girando hacia afuera son críticos . Esto se confirma en la introducción de este libro , aunque parece haber sido escrito mucho después del hecho y sin hacer referencia a la historia frecuentemente citada de no obtener suficiente sustentación en su carrera inaugural:

Girar las hélices hacia el fuselaje significó un control mucho mejor durante la operación con un solo motor.

Del mismo modo, el Manual del operador del F-82 republicado se jacta de que "las características de control de un solo motor de este avión son excepcionalmente buenas". Nuevamente (pero también como se esperaba), no se menciona ninguna prueba y error en la fase de diseño.

Y cuanto más investigaba el diseño del F-82, encontré información variada y sin fuentes. Muchos sitios repitieron la historia de la prueba de vuelo inicial, mientras que otro dijo que el fracaso del primer intento se atribuyó al peso .

Mi conjetura es que los diseños iniciales del F-82 simplemente se tomaron prestados de la configuración final del P-38, un poco anterior, donde las hélices contrarrotantes que giraban hacia afuera redujeron la corriente descendente en el estabilizador horizontal y crearon una plataforma de artillería más estable .

En cuanto a averiguar la cancelación de sustentación en la sección central del ala del F-82, probablemente sea útil explicar primero qué efecto tiene una sola hélice en el ala detrás de ella.

En términos generales, una hélice giratoria crea un vórtice aguas abajo en la misma dirección en que gira la hélice. El área del ala detrás de la oscilación ascendente de una pala de hélice experimenta un mayor ángulo de ataque al flujo de aire resultante, lo que resulta en una mayor sustentación y arrastre en esa sección del ala.

Fuente de la imagen: Autoridad de Aviación Civil de Nueva Zelanda

Del mismo modo, ocurre lo contrario en el lado de la oscilación descendente, lo que da como resultado un aumento neto en la sustentación y una disminución neta en la resistencia detrás del motor como un todo. Este modelo de flujo de aire de un solo motor es generalmente cierto para modelos de múltiples motores con todas las hélices girando en la misma dirección :

La interacción de la estela con el ala produce un aumento en el coeficiente de sustentación general. Este aumento neto es el resultado de un aumento local en el coeficiente de sustentación local$C_L$para la parte del ala ubicada en la estela con rotación hacia arriba mientras que la rotación hacia abajo induce una disminución local en$C_L$. El coeficiente de arrastre local$C_d$aumenta localmente en la parte de rotación ascendente y disminuye en la sección de rotación descendente. El resultado neto es generalmente una reducción de la resistencia al ala.

Entonces, el F-82 parece ser un enigma en este sentido. En teoría, una rotación hacia afuera debería haber aumentado la sustentación en la sección central, no reducirla. Entonces, ¿por qué no lo hizo? Quizás hubo demasiada interacción entre las dos estelas de la hélice. Nuevamente, considere el P-38 Lightning. Aunque ambos tienen motores gemelos que giran en sentido contrario y dos brazos de cola conectados por un estabilizador horizontal compartido, el P-38 tiene un gran fuselaje central para el piloto que se encuentra justo entre los dos motores, aislando de manera efectiva las estelas de las hélices individuales.

Un estudio sobre la configuración "Down Between Engines" (DBE) del Airbus A400M señaló "[fuerte] interacción [ion]" de las estelas de sus motores contrarrotativos

especialmente [en] la parte del ala ubicada entre ambos motores y da como resultado una disminución local en el coeficiente de sustentación que no se compensa completamente con el aumento local en aquellas partes de las alas que experimentan movimiento hacia arriba (énfasis mío)

dando como resultado tanto una menor sustentación como una mayor resistencia en la sección del ala entre los motores.

Tenga en cuenta que DBE (es decir, hélices que giran hacia adentro) fue la solución para los problemas de elevación del F-82; el hecho de que la región del ala entre motores todavía experimente una menor sustentación y una mayor resistencia en la configuración contrarrotante más preferible subraya la noción de que la interacción de las estelas de la hélice no es deseable. Mi conjetura es que este interruptor eliminó lo suficiente de las condiciones adversas de sustentación para permitir que la aeronave despegara. Sería interesante averiguar si alguien modificó un F-82 para eliminar el aspecto de contrarrotación.

ACTUALIZACIÓN: Por fin, he encontrado lo que parece ser la fuente más creíble para el artículo de Wikipedia, una edición de 2013 de la revista Warbirds .

1. El primer vuelo se atribuyó (al menos un poco) al sobrepeso. Un segundo intento, el 16 de junio de 1945 , se elevó inesperadamente durante más de una hora después de despegar con una carga de combustible limitada.
2. La interacción entre las hélices creó una condición temprana de entrada en pérdida delante del ala cuando se combinó con el flujo ascendente normal, lo que provocó que la sustentación sobre el ala central sufriera como era de esperar . Según el aerodinámico de la NAA, Ed Horkey:

"Lo que sucedía era que teníamos hélices girando en diferentes direcciones en los motores izquierdo y derecho. Por alguna razón, que no recuerdo, comenzamos con las palas moviéndose hacia arriba frente a la sección central. Lo que esto hace, particularmente en ángulos de ataque altos, es crear un flujo ascendente acercándose al borde de ataque de la sección central del ala. También tiene un flujo ascendente normal delante del ala. Los dos flujos ascendentes se sumarían para crear una entrada en pérdida temprana. La sección central representaba un gran parte del área del ala. Lo que estaba sucediendo era que nos estábamos estancando temprano y simplemente no teníamos suficiente sustentación... Cambiamos las rotaciones para ir por el medio y resolvimos el problema".

El ejemplo dado del propwash de Cessna no incluye la caída del ala izquierda resultante durante la entrada en pérdida debido a que el ángulo de ataque a lo largo del ancho del tramo es más alto en la raíz del ala izquierda, por lo tanto, ahí es donde comienza la entrada en pérdida.

El P-38 y el XP-82 tenían puntales de giro externos para asegurarse de que los puestos, en particular los puestos de encendido, comenzaran hacia adentro, minimizando los problemas de control lateral.

La idea era maximizar la capacidad de control durante las maniobras de combate. Las hélices de giro internas mejoran el rendimiento del motor, pero a costa de una menor estabilidad lateral en configuraciones de alta potencia y altos ángulos de ataque debido a la iniciación de pérdida externa.

¿Qué tiene eso que ver con que el XP-82 tenga problemas para despegar? Bueno, voló así, en realidad, y hay bastantes fotos de él volando con esos accesorios giratorios externos.

El problema era que en una actitud de tres puntos en el suelo (el ángulo de entrada en pérdida del ala), la sección central del ala bloqueaba el flujo de aire hacia el estabilizador/elevador. Para despegar, uno tenía que pisar los frenos a velocidad para levantar la puñalada hacia un flujo de aire despejado para el control del elevador y permitir que la aeronave acelere un poco más allá de la velocidad máxima de pérdida de AoA antes de despegar. Un tipo de prototipo de rueda trasera 262. No es una técnica difícil para los pilotos de prueba, pero no es algo que desee que los pilotos regulares tengan que hacer.

La solución ideal es elevar el estabilizador, la solución rápida y fácil es invertir los puntales mejorando el flujo de aire de actitud de tres puntos hacia la puñalada.