¿Qué aviones soportan los Max Q (presión aerodinámica) más altos?

¿Cuáles son las presiones aerodinámicas más altas encontradas en cualquier avión? ¿Y esto limita la velocidad máxima de cualquier avión a ciertas altitudes? En términos generales, '¿qué tan rápido puedes ir [a una altitud determinada]?'

donde la presión dinámica q es:

q = 1 2 ρ v 2

ρ es la densidad del aire local, y v es la verdadera velocidad aerodinámica.

Lo que más me preocupa son los cazas/bombarderos de alto rendimiento. Aquí hay algunos datos que he seleccionado (Mk-12A y 787 agregados como referencia):

#   | Airframe      | Mach       | Speed     | Altitude    | q (kgf/m^2)
----|---------------|------------|-----------|-------------|------------
1.  | Mk-12A        | Mach  6.15 | 2,100 m/s |       0 ft  | 273,000
2.  | Mk-12A        | Mach 22.6  | 6,900 m/s | 100,000 ft  |  39,300
3.  | X-51A         | Mach  5.1  | 1,500 m/s |  64,000 ft  |  11,100
4.  | HTV-2         | Mach 20.   | 5,812 m/s | 125,000 ft? |  10,700
5.  | F-111         | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
6.  | B-1A          | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
7.  | B-1B          | Mach  0.9  |   310 m/s |       0 ft  |   6,100
8.  | X-43A         | Mach  9.6  | 3,000 m/s | 109,000 ft  |   4,800
9.  | Skylon        | Mach  5.5  | 1,630 m/s |  85,300 ft  |   4,600
10. | SR-72         | Mach  6    | 1,800 m/s |  90,000 ft? |   4,400
11. | Space Shuttle | Mach  1.3? |   400 m/s |  35,000 ft  |   3,200?
12. | XB-70         | Mach  3.0  |   880 m/s |  73,000 ft  |   2,500
13. | SR-71         | Mach  3.2  |   930 m/s |  78,740 ft  |   2,300
14. | Concorde      | Mach  2.0  |   600 m/s |  60,000 ft  |   2,100
15. | Boeing 787    | Mach   .85 |   250 m/s |  35,000 ft  |   1,200

Los fuselajes n.º 3, n.º 4 y n.º 5/6 son bastante diferentes entre sí, por lo que me sorprende que compartan aproximadamente el mismo máximo. q . ¿Es 11,000 kgf/m^2 un límite común?

Nota: Todas las cifras son para vuelo nivelado, excepto para el Mk-12A (reentrada), el transbordador espacial (ascenso) y el HTV-2 (planeo).

  • [Mk-12A]: vehículo de reentrada actual para el misil balístico intercontinental Minuteman III, alberga la ojiva W78 (350 kT). Las cifras son para el reingreso.
  • [HTV-2]: Planeador cohete.
  • [B-1B]: "[la velocidad máxima] está limitada por la necesidad de evitar daños en su estructura y tomas de aire", según Wikipedia. El B-1B usó menos titanio estructural y una entrada de geometría fija más simple cuando se redujo el requisito de velocidad del B-1A.
  • [Skylon]: Obviamente todavía no existe. El "manual de usuario" de Reaction Engines para el Skylon analiza el perfil de vuelo.
  • [SR-72]: Obviamente aún no existe. Lockheed Martin habló sobre el crucero Mach 6. La altitud de crucero de 90,000 pies es solo mi valor de marcador de posición.
  • [Transbordador espacial]: Cifras de ascenso.

Algunos antecedentes y propósito: Por diversión, estoy tratando de diseñar un bombardero pesado hipersónico de largo alcance. Tenía curiosidad por saber qué limitaría la velocidad máxima a baja/media altitud: arrastre (empuje del motor disponible), máx. q (resistencia estructural), o temperatura de la piel (sistema de protección térmica)... pero ya llegaré a eso en otra pregunta.

He leído casi todas las etiquetas aerodinámicas, militares, de diseño de aeronaves, de rendimiento de aeronaves y de motores a reacción, en busca de respuestas. (Realmente, esta es una comunidad maravillosa). Finalmente me di cuenta de que podía hacer mi propia pregunta.

Traté de seguir la etiqueta lo mejor que pude, pero soy bastante nuevo en Stack Exchange, así que avíseme si debo cambiar algo :) ¡Gracias!

"Por diversión, estoy tratando de diseñar un bombardero pesado hipersónico de largo alcance" O_o
@bjb568 Es solo un proyecto divertido desafiarme a mí mismo y ver cuánto puedo salirme con la mía (tengo aproximadamente dos semanas de experiencia en aerodinámica). Es más un ejercicio de diseño que otra cosa. ¡Te aseguro que no me lo estoy tomando tan en serio! ¿Mencioné que funciona con un reactor de fusión aneutrónica? :PAG
Parece estar asumiendo que max Q está en altitud y velocidad de crucero, pero no estoy convencido de esto.
@ raptortech97 Oh, para nada. Pero el empuje de mi diseño es capaz de empujar velocidades mucho más altas [que las que puede manejar el fuselaje]. La velocidad de crucero es de ~Mach 10 a 100 000 pies =D. Para q=11000kgf/m^2 , creo que la velocidad máxima es Mach 1,2 a nivel del mar, Mach 2,5 a 40 000 pies y, finalmente, Mach 7,5 a 85 000 pies, en cuyo punto [quizás] domina el calentamiento y la temperatura de la piel se convierte en el factor limitante. Seguramente q domina a baja altura, no se que tanto ... Pero de verdad me encantaría que me desengañaran de mi ignorancia, por eso estoy aquí. Hablando de eso, ¿cómo voto un comentario?
Ehm... la presión dinámica es sólo 1 2 ρ V 2 a velocidades en las que se pueden despreciar los problemas de compresibilidad, alrededor de M 0,6. Por encima de eso, la presión dinámica se vuelve 1 2 ⋅ γ ⋅ pag ⋅ METRO 2
Tu tabla de datos es muy interesante. Sé que esta es una pregunta de hace 6 años, pero ¿tienes las fuentes que usaste para crearla? ¿Especialmente para las embarcaciones q más rápidas/más altas?

Respuestas (2)

Primero, su lista de ejemplo no distingue entre trayectorias estacionarias e inestacionarias. Un vehículo de reingreso verá la presión dinámica más alta solo momentáneamente al final de su viaje, y el calentamiento aerodinámico puede tolerarse mediante enfriamiento ablativo o un disipador de calor de tamaño decente. Todo lo que tiene que sostener es la presión dinámica en la punta.

Las primeras muestras en su lista que necesitan mantener continuamente la presión dinámica dada son los aviones de ataque a baja altitud B-1B y F-111. Aquí, la presión dinámica viene dada por la carga alar, la aerodinámica y el empuje bruto para mantener la aeronave en movimiento a su velocidad máxima. El calentamiento aerodinámico se destaca a gran altura, porque el calor del punto de estancamiento es independiente de la densidad del aire.

Las razones para limitar la presión dinámica máxima son:

  • ráfagas de carga a baja altura. Golpear la misma corriente ascendente a mayor velocidad aumentará proporcionalmente el factor de carga.
  • Deformación aeroelástica: una mayor presión dinámica significa también mayores cargas de torsión y flexión, y la estructura deformada puede volverse inestable cuando la deformación aumenta las cargas que conducen a esta deformación. Volar a una presión dinámica más alta requiere una estructura más rígida y pesada.

Si observa la envolvente de vuelo del SR-71 (abajo), debería ser obvio que en cada altitud solo estaba disponible una banda estrecha de velocidad debido a la alta carga alar (= presión dinámica mínima alta) y la presión dinámica máxima (a baja altura) rsp. el calentamiento aerodinámico (a gran altura).

Sobre de vuelo SR-71

Sobre de vuelo SR-71 ( fuente de la imagen )

¡Gracias! Editaré para aclarar. De hecho, usé ese mismo gráfico para elegir una velocidad máxima. Supongo que lo que estoy tratando de preguntar es: " ¿ Aproximadamente qué tan rápido puedes ir [a una altitud dada] considerando solo las cargas aerodinámicas?" (Hablaré de la calefacción en una pregunta separada). Sé que es una pregunta amplia (diferentes diseños, presupuesto masivo, lo que sea), por eso no la pregunté. Estoy tratando de tener una idea de un límite superior común en un caza o bombardero de alto rendimiento.
@HephaestusAetnaean: No hay un límite real. Use alas de acero sólido de baja relación de aspecto, y puede aumentar mucho la presión dinámica máxima. Si eso todavía no es lo suficientemente rígido, haga las alas de diamante o use un perfil aerodinámico más grueso. Los límites prácticos están cerca de lo que das en tu lista, que es de unos 100.000 N/m² o 1 bar.
Eso es exactamente lo que estaba buscando. ¡Gracias! De hecho, he leído/revisado la mayoría de sus respuestas, y han sido increíblemente útiles. ¿Qué haces, si no te importa que pregunte? ¿Y qué usas para tus fuentes sobre aerodinámica?
Ups. ¡Olvidé aceptar y votar! ¡Gracias de nuevo, Pedro!
@HephaestusAetnaean: ¿Qué hago? Actualmente trabajando en una cosita de IoT. He trabajado en la industria aeroespacial durante dos décadas y estaba demasiado disgustado para continuar. La corrupción, la vanidad y la idiotez fueron demasiado para mí, aunque trabajé con mucha gente buena.

Solía ​​ser piloto de combate en el F-111 y el F-105. Tienen el límite Q más alto que he encontrado o sobre el que he leído. (Para nosotros, alta velocidad en cubierta) Ese límite es de 810 nudos/Mach 1,2 hacia abajo. Ambos aviones podrían sostener esa velocidad aérea, yo personalmente lo he hecho en el F105 por debajo del nivel del mar en Death Valley. Se adjuntan los límites de velocidad aerodinámica de orden técnica:

F105 Límite de velocidad aerodinámica

Límite de velocidad aerodinámica F111F

No creo que el B-1B sea capaz de alcanzar estas velocidades, se le impusieron todo tipo de límites adicionales. Los cazas modernos ya no están diseñados para este régimen.

¿Qué aviones soportan los Max Q (presión aerodinámica) más altos?
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