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Aerodynamic and Ballistic Analysis of a 155 mm Rocket-Assisted Projectile

Este estudio utiliza simulaciones de CFD validadas y modelado balístico para demostrar que la pluma de escape de un proyectil asistido por cohete de 155 mm altera significativamente la aerodinámica del flujo de base, aumentando la resistencia hasta en un 90 % y reduciendo el alcance máximo en aproximadamente 720 metros, proporcionando así un marco para optimizar los sistemas de propulsión para mejorar el rendimiento de la artillería.

Autores originales: Lucas Gomes do Amaral, Victor Santoro Santiago, André Luiz Tenório Rezende

Publicado 2026-08-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Lucas Gomes do Amaral, Victor Santoro Santiago, André Luiz Tenório Rezende

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando lanzar una piedra pesada lo más lejos posible. Sabes que si la lanzas con demasiada fuerza, el aire empuja contra ella, frenándola. Este empuje hacia atrás se llama "arrastre" (drag), y es el enemigo invisible de cualquier cosa que intente volar rápido. Ahora, imagina que pudieras sujetar un pequeño y potente cohete a la parte trasera de esa piedra para darle un segundo aire en pleno vuelo. Esa es la idea detrás de un "Proyectil Asistido por Cohete" (RAP, por sus siglas en inglés). Es como darle a un velocista un jetpack para la mitad de la carrera. Pero aquí está la parte difícil: cuando ese cohete se dispara, lanza una nube de gas caliente y desordenada llamada "pluma de escape". Esta pluma no solo empuja la roca hacia adelante; también altera el aire que gira alrededor de la parte trasera de la roca. Es como intentar correr a través de una multitud mientras alguien te sopla un ventilador gigante y caótico justo detrás de la cabeza. La gran pregunta para los científicos es: ¿esta nube de aire desordenada ayuda al cohete a llegar más lejos, o en realidad hace que el aire empuje con más fuerza, frenando todo el proceso?

Este artículo profundiza en ese mismo misterio utilizando un proyectil de artillería de 155 mm, un tipo de gran bala de cañón utilizada por los ejércitos. Los investigadores, que trabajan en el Instituto Militar de Ingeniería de Brasil, querían ver qué sucede cuando se dispara un proyectil asistido por cohete a velocidades supersónicas (más rápidas que la velocidad del sonido). No se limitaron a disparar proyectiles reales; en su lugar, construyeron un mundo virtual superdetallado dentro de una computadora. Utilizaron un método llamado Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), que es básicamente una forma de alta tecnología para simular cómo fluye el aire alrededor de objetos, para observar cómo la nube de escape del cohete interactúa con el aire que se mueve rápidamente. Compararon un proyectil con un cohete encendido frente a uno sin él, comprobando cómo cambiaba la presión del aire en la parte trasera del proyectil y cuánto "arrastre" (resistencia del aire) se creaba. Luego, introdujeron estos números en una calculadora balística para ver qué tan lejos volaría realmente el proyectil en la vida real.

Aquí está el giro sorprendente que encontró el artículo: el escape del cohete, que se supone es el héroe que empuja el proyectil más lejos, en realidad crea un efecto secundario villano. Cuando el cohete se dispara, la nube de escape caliente cambia la forma en que el aire gira detrás del proyectil. En lugar de una estela suave y silenciosa, el escape crea un desorden turbulento y compacto que, de hecho, aumenta significamente la resistencia del aire. En las simulaciones, los investigadores encontraron que cuando el cohete estaba encendido, el arrastre aerodinámico aumentaba aproximadamente entre un 70% y un 90% en comparación con cuando el cohete no estaba encendido, especialmente a velocidades bajas (entre Mach 0.7 y 1.0). A medida que el proyectil se volvía más rápido (hasta Mach 2.5), este arrastre adicional se convertía en un problema menor, pero seguía estando ahí.

Piénsalo de esta manera: el motor del cohete es como un amigo fuerte que te empuja desde atrás, pero la nube de escape es como si ese amigo accidentalmente tropezara con tus cordones, creando un gran arrastre en tus pies. El empuje es bueno, pero el tropiezo es malo. El artículo muestra que este "tropiezo" es real y mensurable. Cuando los investigadores realizaron 3,300 simulaciones de vuelo diferentes para ver qué tan lejos llegaría el proyectil, descubrieron que este arrastre adicional causado por la nube de escape en realidad acortaba la distancia máxima que el proyectil podía recorrer. Para los mejores ángulos de disparo, el proyectil voló hasta 720 metros menos de lo que habría volado si la nube de escape no hubiera alterado tanto el aire.

El estudio también analizó cuándo ocurre esto. El arrastre adicional solo importa mientras el cohete está ardiendo, lo cual es un breve periodo de tiempo (unos 3 segundos) al principio del vuelo. Si disparas el proyectil con un ángulo bajo, este golpea el suelo antes de que el cohete siquiera se encienda, por lo que el escape no importa. Pero si lo disparas alto en el aire, el cohete arde mientras el proyectil todavía está ascendiendo, y ese arrastre adicional se acumula, robándole distancia al punto de aterrizaje final. Los investigadores fueron muy cuidadosos con sus matemáticas, verificando sus modelos computacionales con datos conocidos para asegurarse de que sus simulaciones fueran precisas. Encontraron que sus modelos computacionales eran confiables, con errores muy pequeños, por lo que están seguros de que este "castigo por escape" es un fenómeno físico real y no solo un error en el código.

Entonces, ¿cuál es la conclusión? Si estás diseñando un proyectil asistido por cohete, no puedes limitarte a mirar cuánta fuerza de empuje genera el cohete. Tienes que mirar la nube caliente y desordenada que deja atrás. Esa nube cambia la presión del aire en la parte trasera del proyectil, haciendo que sea más difícil atravesar el cielo. El artículo sugiere que ignorar este efecto te haría pensar que tu proyectil volará más lejos de lo que realmente lo hará. Al comprender esta interacción, los ingenieros pueden ajustar la boquilla del cohete o el tiempo de ignición para intentar minimizar este castigo por arrastre, ayudando a que estos proyectiles de alta tecnología alcancen su verdadero potencial. Es un recordatorio de que, en el mundo del vuelo de alta velocidad, incluso las cosas que te impulsan hacia adelante pueden, a veces, causarte algunos problemas en el camino.

Resumen Técnico: Análisis Aerodinámico y Balístico de un Proyectil con Asistencia de Cohete de 155 mm

Planteamiento del Problema
Los proyectiles con asistencia de cohete (RAP, por sus siglas en inglés) son fundamentales para extender el alcance de la artillería de campaña sin requerir modificaciones en el cañón. Sin embargo, la interacción entre la pluma del escape del cohete y el flujo externo supersónico genera fenómenos aerodinámicos complejos que no se comprenden completamente. Mientras que el sistema de propulsión proporciona empuje, los gases de escape alteran la presión de la base, la estructura de la estela y las regiones de recirculación, lo que potencialmente aumenta la resistencia aerodinámica. A pesar de la importancia estratégica de los RAPs, la literatura abierta contiene datos experimentales y numéricos limitados que cuantifican estas interacciones entre la pluma y el flujo, así como su impacto específico en el alcance y la trayectoria del proyectil. Este estudio aborda la brecha en la comprensión de cómo las modificaciones inducidas por la propulsión en el flujo de la base afectan el rendimiento balístico global de un RAP de 155 mm.

Metodología
Los autores emplearon un enfoque integrado que combina la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con un resolvedor balístico de Punto de Masa Modificado.

Simulación CFD: Se resolvieron las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS) utilizando el modelo de turbulencia SST $k-\omega$ para una geometría de proyectil de 155 mm. Las simulaciones cubrieron un rango de número de Mach de 0.7 a 2.5 tanto para la configuración propulsada (con escape) como para la no propulsada. La geometría del proyectil se reconstruyó basándose en las dimensiones reportadas por Ferfouri et al., añadiendo una tobera convergente-divergente en la base para los casos propulsados. El motor de cohete utilizó un perfil de empuje "Neutro" con una presión total de 20 MPa y una temperatura de 2900 K.
Verificación Numérica: Para asegurar la fiabilidad, se realizó un estudio de independencia de malla utilizando tres niveles de resolución (grueso, medio, fino). La incertidumbre numérica se cuantificó mediante la metodología del Índice de Convergencia de la Malla (GCI). Los resultados de la CFD no propulsada se validaron contra datos de referencia del software industrial PRODAS.
Simulación Balística: Se utilizó un modelo de Punto de Masa Modificado basado en STANAG 4355 para simular 3,300 trayectorias. Se compararon tres bases de datos aerodinámicas:
1. Coeficientes base de PRODAS.
2. Coeficientes de CFD para la configuración no propulsada.
3. Coeficientes de CFD para la configuración propulsada (donde los coeficientes de resistencia se actualizaron para reflejar los efectos de la pluma solo durante el periodo de combustión del motor).
  Las simulaciones variaron las elevaciones de lanzamiento de 1 a 1100 mils para evaluar el rendimiento a través del envolvente operativo.

Resultos Clave

Impacto Aerodinámico: La presencia de la pluma de escape alteró significamente la topología de la estela, creando una región de recirculación más compacta y reduciendo la presión de la base. Esto resultó en un aumento sustancial de la resistencia aerodinámica en comparación con la configuración no propulsada.
- En los regímenes subsónico y transónico (Mach 0.7–1.0), el coeficiente de resistencia para la configuración propulsada fue aproximadamente entre un 70% y un 90% mayor que el de la base.
- A medida que el número de Mach aumentó, la diferencia relativa de resistencia disminuyó. Esto se atribuye al hecho de que la presión de la base en la configuración no propulsada disminuye naturalmente a velocidades más altas; por lo tanto, la reducción de presión adicional causada por la pluma representa un cambio relativo menor.
- Las predicciones de empuje mostraron una excelente convergencia con valores de GCI cercanos a 0.1%, lo que indica que el aumento de la resistencia fue el factor de incertidumbre dominante en lugar de la modelación de la propulsión.
Consecuencias Balísticas: La inclusión de la resistencia inducida por la pluma en el resolvedor de trayectoria reveló una reducción mensurable en el alcance máximo.
- Para trayectorias de baja elevación, la pluma tuvo un efecto insignificante porque el proyectil impacta el suelo antes de la ignición del motor.
- Para ángulos de disparo más altos (donde el motor arde durante el vuelo), la reducción del alcance aumentó con la elevación, alcanzando una pérdida máxima de aproximadamente 720 metros cerca de los ángulos de disparo óptimos.
- La divergencia en las trayectorias y la pérdida de velocidad ocurrieron principalmente durante los primeros 50 segundos de vuelo (la fase de potencia). Tras la finalización de la combustión del motor, las trayectorias convergieron a medida que las condiciones aerodinámicas regresaban al estado no propulsado.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que omitir la penalización aerodinámica de la pluma de escape conduce a una sobreestimación del rendimiento balístico de los proyectiles con asistencia de cohete. El estudio demuestra que, si bien el sistema de propulsión añade energía, la modificación asociada del flujo de la base introduce una penalización de resistencia significativa que compensa parcialmente estas ganancias.

Los autores sostienen que la predicción precisa de los efectos aerodinámicos inducidos por la pluma es esencial para una predicción realista de la trayectoria y la evaluación del rendimiento. El marco propuesto de CFD-balística sirve como una herramienta práctica para futuros estudios de optimización, específicamente respecto a la geometría de la tobera, el tiempo de ignición y las condiciones de operación del motor, para mejorar el rendimiento de los sistemas de artillería de alcance extendido. El trabajo enfatiza que la interacción entre la pluma de escape y el flujo externo debe ser considerada durante las fases de caracterización aerodinámica y diseño de los RAPs.

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