Un ala en flecha es un ala inclinada hacia atrás o en ocasiones hacia adelante desde su raíz en lugar de perpendicular al fuselaje.
Las alas en flecha se han utilizado desde los primeros tiempos de la aviación. El movimiento de las alas a altas velocidades fue investigado por primera vez en Alemania en 1935 por Albert Betz y Adolph Busemann , y se aplicó justo antes del final de la Segunda Guerra Mundial . Tiene el efecto de retrasar las ondas de choque y el aumento de la resistencia aerodinámica que la acompaña, causado por la compresibilidad del fluido cerca de la velocidad del sonido , lo que mejora el rendimiento. Por lo tanto, las alas en flecha se utilizan casi siempre en aviones a reacción diseñados para volar a estas velocidades.
El término "ala en flecha" se utiliza normalmente para significar "ala en flecha hacia atrás", pero existen variantes como las alas en flecha hacia delante , las alas en flecha variable y las alas oblicuas en las que un lado se inclina hacia delante y el otro hacia atrás. El ala delta también es aerodinámicamente una forma de ala en flecha.
Hay tres razones principales para barrer un ala: [1]
1. para disponer el centro de gravedad de la aeronave y el centro aerodinámico del ala para que coincidan más estrechamente para el equilibrio longitudinal, por ejemplo Messerschmitt Me 163 Komet y Messerschmitt Me 262. Aunque no era un ala en flecha, los paneles del ala del Douglas DC-1 fuera de las góndolas también tenían una ligera flecha hacia atrás por razones similares. [2]
2. para proporcionar estabilidad longitudinal a aeronaves sin cola, por ejemplo Messerschmitt Me 163 Komet . [2]
3. más comúnmente para aumentar la capacidad del número de Mach retrasando a una velocidad mayor los efectos de la compresibilidad (cambios abruptos en la densidad del flujo de aire), por ejemplo, aviones de combate, aviones de pasajeros y aviones comerciales.
Otras razones incluyen:
1. permitir la posición de una caja de transporte de ala para lograr un tamaño de cabina deseado, por ejemplo, HFB 320 Hansa Jet .
2. proporcionar alivio aeroelástico estático que reduce los momentos de flexión bajo altas cargas g y puede permitir una estructura de ala más liviana. [3]
En el caso de un ala de una envergadura determinada, al barrerla aumenta la longitud de los largueros que la recorren desde la raíz hasta la punta, lo que tiende a aumentar el peso y reducir la rigidez. Si la cuerda de proa a popa del ala también permanece igual, la distancia entre los bordes de ataque y de salida se reduce, lo que reduce su capacidad para resistir fuerzas de torsión. Por lo tanto, un ala en flecha de una envergadura y una cuerda determinadas debe reforzarse y será más pesada que el ala equivalente sin barrer.
Un ala en flecha generalmente se inclina hacia atrás desde su raíz en lugar de hacia adelante. Debido a que las alas están hechas lo más livianas posible, tienden a flexionarse bajo carga. Esta aeroelasticidad bajo carga aerodinámica hace que las puntas se doblen hacia arriba en vuelo normal. El flechado hacia atrás hace que las puntas reduzcan su ángulo de ataque a medida que se doblan, lo que reduce su sustentación y limita el efecto. El flechado hacia adelante hace que las puntas aumenten su ángulo de ataque a medida que se doblan. Esto aumenta su sustentación causando una mayor flexión y, por lo tanto, aún más sustentación en un ciclo que puede causar una falla estructural fuera de control. Por esta razón, el flechado hacia adelante es poco común y el ala debe ser inusualmente rígida.
Hay dos ángulos de barrido importantes: uno en el borde de ataque para los aviones supersónicos y el otro a un 25 % del borde de ataque para los aviones subsónicos y transónicos. El barrido del borde de ataque es importante porque el borde de ataque debe estar detrás del cono de máquina para reducir la resistencia de las olas. [4] La línea de un cuarto de cuerda (25 %) se utiliza porque la sustentación subsónica debida al ángulo de ataque actúa allí y, hasta la introducción de las secciones supercríticas, la cresta estaba normalmente cerca del cuarto de cuerda. [5]
Los ángulos de barrido típicos varían desde 0 para un avión de ala recta, hasta 45 grados o más para cazas y otros diseños de alta velocidad.
Las ondas de choque pueden formarse en algunas partes de un avión que se mueve a una velocidad inferior a la del sonido. Las regiones de baja presión alrededor de un avión hacen que el flujo se acelere y, a velocidades transónicas, esta aceleración local puede superar Mach 1. El flujo supersónico localizado debe volver a las condiciones de corriente libre alrededor del resto del avión y, a medida que el flujo entra en un gradiente de presión adverso en la sección trasera del ala, surge una discontinuidad en forma de onda de choque a medida que el aire se ve obligado a disminuir rápidamente su velocidad y volver a la presión ambiente.
En el punto en el que la densidad cae, la velocidad local del sonido cae correspondientemente y se puede formar una onda de choque. Esta es la razón por la que en las alas convencionales, las ondas de choque se forman primero después del Grosor/Cuerda máximos y por la que todos los aviones de pasajeros diseñados para cruceros en el rango transónico (por encima de M0.8) tienen alas supercríticas que son más planas en la parte superior, lo que resulta en un cambio angular minimizado del flujo de aire de la superficie superior. El cambio angular del aire que normalmente es parte de la generación de sustentación se reduce y esta reducción de la sustentación se compensa con superficies inferiores más curvadas acompañadas de una curva refleja en el borde de salida. Esto da como resultado una onda de choque mucho más débil hacia la parte trasera de la superficie superior del ala y un aumento correspondiente en el número de Mach crítico.
Las ondas de choque requieren energía para formarse. Esta energía se extrae del avión, que tiene que proporcionar un empuje adicional para compensar esta pérdida de energía. Por lo tanto, las ondas de choque se consideran una forma de resistencia . Dado que las ondas de choque se forman cuando la velocidad del aire local alcanza velocidades supersónicas, existe una cierta " velocidad de Mach crítica " en la que el flujo sónico aparece por primera vez en el ala. Hay un punto siguiente llamado número de Mach de divergencia de resistencia en el que el efecto de la resistencia de las ondas de choque se hace evidente. Esto suele suceder cuando las ondas de choque comienzan a generarse sobre el ala, que en la mayoría de los aviones es la superficie curvada continuamente más grande y, por lo tanto, la que más contribuye a este efecto.
El barrido del ala tiene el efecto de reducir la curvatura del cuerpo, tal como se ve desde el flujo de aire, en el coseno del ángulo de barrido. Por ejemplo, un ala con un barrido de 45 grados verá una reducción en la curvatura efectiva de aproximadamente el 70% de su valor de ala recta. Esto tiene el efecto de aumentar el Mach crítico en un 30%. Cuando se aplica a áreas grandes de la aeronave, como las alas y el empenaje , esto permite que la aeronave alcance velocidades más cercanas a Mach 1.
Un factor limitante en el diseño de alas en flecha es el llamado "efecto medio". Si un ala en flecha es continua -un ala en flecha oblicua- las isobaras de presión se barren en un ángulo continuo de punta a punta. Sin embargo, si las mitades izquierda y derecha se barren hacia atrás por igual, como es la práctica habitual, las isobaras de presión del ala izquierda en teoría se encontrarán con las isobaras de presión del ala derecha en la línea central en un ángulo grande. Como las isobaras no pueden encontrarse de esa manera, [ ¿por qué? ] tenderán a curvarse a cada lado a medida que se acercan a la línea central, de modo que las isobaras cruzan la línea central en ángulos rectos con la línea central. Esto provoca un "desbarrido" de las isobaras en la región de la raíz del ala. Para combatir este desbarrido, el aerodinámico alemán Dietrich Küchemann propuso y ensayó una hendidura local del fuselaje por encima y por debajo de la raíz del ala. Esto resultó no ser muy eficaz. [7] Durante el desarrollo del avión de pasajeros Douglas DC-8 , se utilizaron perfiles aerodinámicos no curvados en el área de la raíz del ala para combatir la falta de curvatura. [8] [9]
Las alas en flecha de los aviones supersónicos suelen estar dentro de la onda de choque en forma de cono que se produce en la nariz del avión, de modo que "ven" el flujo de aire subsónico y funcionan como alas subsónicas. El ángulo necesario para situarse detrás del cono aumenta con el aumento de la velocidad: a Mach 1,3, el ángulo es de unos 45 grados y a Mach 2,0, de 60 grados. [10] El ángulo del cono de Mach formado a partir del cuerpo del avión será de aproximadamente sen μ = 1/M (μ es el ángulo de barrido del cono de Mach) [11]
Cuando un ala en flecha se desplaza a alta velocidad, el flujo de aire tiene poco tiempo para reaccionar y simplemente fluye sobre el ala casi en línea recta de adelante hacia atrás. A velocidades más bajas, el aire sí tiene tiempo para reaccionar y es empujado en el sentido de la envergadura por el borde de ataque en ángulo, hacia la punta del ala. En la raíz del ala, por el fuselaje, esto tiene poco efecto perceptible, pero a medida que uno se mueve hacia la punta del ala, el flujo de aire es empujado en el sentido de la envergadura no solo por el borde de ataque, sino también por el aire que se mueve a lo largo de la envergadura a su lado. En la punta, el flujo de aire se mueve a lo largo del ala en lugar de sobre ella, un problema conocido como flujo en el sentido de la envergadura .
La sustentación de un ala se genera por el flujo de aire que pasa sobre ella desde adelante hacia atrás. Con un flujo creciente en la envergadura, las capas límite de la superficie del ala tienen que recorrer más tiempo, por lo que son más gruesas y más susceptibles a la transición a la turbulencia o la separación del flujo; además, la relación de aspecto efectiva del ala es menor y, por lo tanto, el aire se "fuga" alrededor de las puntas del ala, lo que reduce su eficacia. El flujo en la envergadura de las alas en flecha produce un flujo de aire que desplaza el punto de estancamiento en el borde de ataque de cualquier segmento individual del ala más abajo del borde de ataque, lo que aumenta el ángulo de ataque efectivo de los segmentos del ala en relación con su segmento delantero vecino. El resultado es que los segmentos del ala más hacia atrás operan en ángulos de ataque cada vez más altos, lo que promueve la pérdida temprana de esos segmentos. Esto promueve la pérdida de la punta en las alas en flecha hacia atrás, ya que las puntas están más hacia atrás, mientras que retrasa la pérdida de la punta en las alas en flecha hacia adelante, donde las puntas están hacia adelante. Con alas en flecha hacia adelante y hacia atrás, la parte trasera del ala se detendrá primero, lo que crea un momento de morro hacia arriba en el avión. Si el piloto no corrige el problema, el avión se inclinará hacia arriba, lo que provocará que las alas se detengan más y que el avión se incline hacia arriba de manera divergente. Esta inestabilidad incontrolable llegó a conocerse como la danza del sable, en referencia a la cantidad de Super Sabres norteamericanos F-100 que se estrellaron al aterrizar como resultado de ello. [12] [13]
La reducción del cabeceo hasta un nivel aceptable se ha realizado de diferentes maneras, como la adición de una aleta conocida como valla de ala en la superficie superior del ala para redirigir el flujo en una dirección en sentido de la corriente. El MiG-15 fue un ejemplo de un avión equipado con vallas de ala. [14] Otro diseño estrechamente relacionado fue la adición de una muesca de dientes de perro al borde de ataque, utilizada en el interceptor Avro Arrow . [15] Otros diseños adoptaron un enfoque más radical, incluida el ala del Republic XF-91 Thunderceptor que se hizo más ancha hacia la punta para proporcionar más sustentación en la punta. El Handley Page Victor estaba equipado con un ala en forma de media luna , con tres valores de barrido, aproximadamente 48 grados cerca de la raíz del ala donde el ala era más gruesa, una longitud de transición de 38 grados y 27 grados para el resto hasta la punta. [16] [17]
Las soluciones modernas al problema ya no requieren diseños "personalizados" como estos. La adición de slats de borde de ataque y flaps compuestos de gran tamaño a las alas ha resuelto en gran medida el problema. [18] [19] [20] En los diseños de cazas, la adición de extensiones de borde de ataque , que normalmente se incluyen para lograr un alto nivel de maniobrabilidad, también sirven para agregar sustentación durante el aterrizaje y reducir el problema. [21] [22]
Además del cabeceo hacia arriba, existen otras complicaciones inherentes a una configuración de ala en flecha. Para cualquier longitud de ala dada, la envergadura real de punta a punta es menor que la de la misma ala sin flecha. Existe una fuerte correlación entre la resistencia a baja velocidad y el alargamiento , la envergadura en comparación con la cuerda, por lo que un ala en flecha siempre tiene más resistencia a velocidades más bajas. Además, hay un par adicional aplicado por el ala al fuselaje que debe tenerse en cuenta al establecer la transferencia de cargas del cajón del ala al fuselaje. Esto es resultado de la parte significativa de la sustentación del ala que se encuentra detrás de la longitud de unión donde el ala se encuentra con el fuselaje.
La teoría del ala en flecha es una descripción de la ingeniería aeronáutica del comportamiento del flujo de aire sobre un ala cuando el borde de ataque del ala se encuentra con el flujo de aire en un ángulo oblicuo. El desarrollo de la teoría del ala en flecha dio como resultado el diseño de ala en flecha utilizado por la mayoría de los aviones a reacción modernos, ya que este diseño funciona de manera más efectiva a velocidades transónicas y supersónicas . En su forma avanzada, la teoría del ala en flecha condujo al concepto experimental de ala oblicua .
Adolf Busemann introdujo el concepto de ala en flecha y lo presentó en 1935 en la Quinta Conferencia Volta en Roma. [23] La teoría de flecha en general fue un tema de desarrollo e investigación durante las décadas de 1930 y 1940, pero la definición matemática innovadora de la teoría de flecha generalmente se atribuye a Robert T. Jones de NACA en 1945. La teoría de flecha se basa en otras teorías de sustentación del ala. La teoría de la línea de sustentación describe la sustentación generada por un ala recta (un ala en la que el borde de ataque es perpendicular al flujo de aire). La teoría de Weissinger describe la distribución de la sustentación para un ala en flecha, pero no tiene la capacidad de incluir la distribución de la presión en el sentido de la cuerda. Hay otros métodos que describen distribuciones en el sentido de la cuerda, pero tienen otras limitaciones. La teoría de flecha de Jones proporciona un análisis simple y completo del rendimiento del ala en flecha.
Robert T. Jones ofreció una explicación de cómo funciona el ala en flecha : "Supongamos que un ala es un cilindro de sección transversal aerodinámica, cuerda y espesor uniformes y se coloca en una corriente de aire en un ángulo de guiñada, es decir, está en flecha hacia atrás. Ahora bien, incluso si la velocidad local del aire en la superficie superior del ala se vuelve supersónica, no se puede formar una onda de choque allí porque tendría que ser una onda de choque en flecha hacia atrás, es decir, en el mismo ángulo que el ala, es decir, sería una onda de choque oblicua. Una onda de choque oblicua de este tipo no se puede formar hasta que el componente de velocidad normal a ella se vuelva supersónico". [24]
Para visualizar el concepto básico de la teoría de flecha simple, considere un ala recta, no flechada, de longitud infinita, que se encuentra con el flujo de aire en un ángulo perpendicular. La distribución de presión de aire resultante es equivalente a la longitud de la cuerda del ala (la distancia desde el borde de ataque hasta el borde de salida). Si comenzáramos a deslizar el ala lateralmente (en el sentido de la envergadura), el movimiento lateral del ala en relación con el aire se agregaría al flujo de aire perpendicular anterior, lo que daría como resultado un flujo de aire sobre el ala en un ángulo con el borde de ataque. Este ángulo hace que el flujo de aire recorra una mayor distancia desde el borde de ataque hasta el borde de salida y, por lo tanto, la presión del aire se distribuye en una distancia mayor (y, en consecuencia, disminuye en cualquier punto particular de la superficie).
Este escenario es idéntico al flujo de aire que experimenta un ala en flecha mientras se desplaza por el aire. El flujo de aire sobre un ala en flecha se encuentra con el ala en un ángulo. Ese ángulo se puede descomponer en dos vectores, uno perpendicular al ala y otro paralelo a ella. El flujo paralelo al ala no tiene ningún efecto sobre ella y, dado que el vector perpendicular es más corto (es decir, más lento) que el flujo de aire real, ejerce en consecuencia menos presión sobre el ala. En otras palabras, el ala experimenta un flujo de aire que es más lento (y a presiones más bajas) que la velocidad real de la aeronave.
Uno de los factores que se deben tener en cuenta al diseñar un ala de alta velocidad es la compresibilidad , que es el efecto que actúa sobre un ala cuando se acerca y pasa por la velocidad del sonido . Los importantes efectos negativos de la compresibilidad la convirtieron en un tema de primera importancia para los ingenieros aeronáuticos. La teoría del barrido ayuda a mitigar los efectos de la compresibilidad en aeronaves transónicas y supersónicas debido a las presiones reducidas. Esto permite que el número de Mach de una aeronave sea mayor que el que realmente experimenta el ala.
La teoría de flechas también tiene un aspecto negativo. La sustentación producida por un ala está directamente relacionada con la velocidad del aire sobre ella. Dado que la velocidad del flujo de aire que experimenta un ala en flecha es menor que la velocidad real de la aeronave, esto se convierte en un problema durante las fases de vuelo lento, como el despegue y el aterrizaje. Ha habido varias formas de abordar el problema, incluido el diseño de alas de incidencia variable en el Vought F-8 Crusader [ 25] y las alas oscilantes en aeronaves como el F-14 , el F-111 y el Panavia Tornado [ 26] [27]
El término "ala en flecha" se utiliza normalmente para significar "barrido hacia atrás", pero otras variantes de flecha incluyen el ala en flecha hacia adelante , las alas de flecha variable y las alas oblicuas en las que un lado se inclina hacia adelante y el otro hacia atrás. El ala delta también incorpora las mismas ventajas como parte de su diseño.
El movimiento de barrido de las alas hacia adelante tiene aproximadamente el mismo efecto que el movimiento hacia atrás en términos de reducción de la resistencia aerodinámica, pero tiene otras ventajas en términos de manejo a baja velocidad, donde los problemas de pérdida de sustentación en las puntas simplemente desaparecen. En este caso, el aire a baja velocidad fluye hacia el fuselaje, que actúa como una gran barrera alar. Además, las alas son generalmente más grandes en la base de todos modos, lo que les permite tener una mejor sustentación a baja velocidad.
Sin embargo, esta disposición también tiene serios problemas de estabilidad. La sección más trasera del ala entrará en pérdida primero, lo que provocará un momento de cabeceo hacia arriba que empujará al avión a entrar en pérdida aún más, de manera similar a un diseño de ala en flecha hacia atrás. Por lo tanto, las alas en flecha hacia adelante son inestables de una manera similar a los problemas de baja velocidad de un ala en flecha convencional. Sin embargo, a diferencia de las alas en flecha hacia atrás, las puntas en un diseño en flecha hacia adelante entrarán en pérdida al final, manteniendo el control del alabeo.
Las alas en flecha hacia adelante también pueden experimentar efectos de flexión peligrosos en comparación con las alas en flecha hacia atrás que pueden anular la ventaja de pérdida de sustentación de la punta si el ala no es lo suficientemente rígida. En los diseños en flecha hacia atrás, cuando el avión maniobra con un factor de carga alto , la carga y la geometría del ala tuercen el ala de tal manera que se crea un deslave (la punta tuerce el borde de ataque hacia abajo). Esto reduce el ángulo de ataque en la punta, reduciendo así el momento de flexión en el ala, así como reduciendo en cierta medida la posibilidad de pérdida de sustentación de la punta. [28] Sin embargo, el mismo efecto en las alas en flecha hacia adelante produce un efecto de deslave que aumenta el ángulo de ataque promoviendo la pérdida de sustentación de la punta.
Las pequeñas cantidades de flecha no causan problemas graves y se han utilizado en una variedad de aeronaves para mover el larguero a una ubicación conveniente, como en el Junkers Ju 287 o el HFB 320 Hansa Jet . [29] [30] Sin embargo, una flecha más grande adecuada para aeronaves de alta velocidad, como los cazas, generalmente era imposible hasta la introducción de sistemas fly by wire que podían reaccionar lo suficientemente rápido como para amortiguar estas inestabilidades. El Grumman X-29 fue un proyecto de demostración de tecnología experimental diseñado para probar el ala en flecha hacia adelante para una maniobrabilidad mejorada durante la década de 1980. [31] [32] El Sukhoi Su-47 Berkut es otra aeronave de demostración notable que implementa esta tecnología para lograr altos niveles de agilidad. [33] Hasta la fecha, ningún diseño con una flecha hacia adelante muy pronunciada ha entrado en producción.
Los primeros aviones que tuvieron éxito se basaron en un diseño básico de alas rectangulares en ángulo recto con el cuerpo de la máquina. Este diseño es inherentemente inestable; si la distribución del peso de la aeronave cambia incluso ligeramente, el ala querrá rotar de modo que su parte delantera se mueva hacia arriba (el peso se mueve hacia atrás) o hacia abajo (hacia adelante) y esta rotación cambiará el desarrollo de la sustentación y hará que se mueva más en esa dirección. Para que un avión sea estable, la solución normal es colocar el peso en un extremo y compensarlo con una fuerza descendente opuesta en el otro; esto conduce al diseño clásico con el motor en frente y las superficies de control en el extremo de un brazo largo con el ala en el medio. Se sabe desde hace tiempo que este diseño es ineficiente. La fuerza descendente de las superficies de control necesita más sustentación del ala para compensarse. La cantidad de fuerza se puede reducir aumentando la longitud del brazo, pero esto genera más fricción superficial y más peso del propio brazo.
Este problema dio lugar a muchos experimentos con diferentes diseños que eliminaban la necesidad de la fuerza descendente. Una de esas geometrías de ala apareció antes de la Primera Guerra Mundial , lo que dio lugar a los primeros diseños de alas en flecha. En este diseño, el ala está en flecha de modo que partes se encuentran muy por delante y por detrás del centro de gravedad (CdG), con las superficies de control detrás de ella. El resultado es una distribución de peso similar al diseño clásico, pero la fuerza de control compensatoria ya no es una superficie separada sino parte del ala, que habría existido de todos modos. Esto elimina la necesidad de una estructura separada, lo que hace que la aeronave tenga menos resistencia y requiera menos sustentación total para el mismo nivel de rendimiento. Estos diseños inspiraron varios planeadores de ala voladora y algunos aviones a motor durante los años de entreguerras. [34]
El primero en lograr estabilidad fue el diseñador británico J. W. Dunne , que estaba obsesionado con lograr estabilidad inherente en vuelo. Empleó con éxito alas en flecha en su avión sin cola (que, fundamentalmente, utilizaba el efecto de lavado ) como un medio para crear estabilidad estática longitudinal positiva . [35] Para un avión de baja velocidad, las alas en flecha se pueden utilizar para resolver problemas con el centro de gravedad , para mover el larguero del ala a una ubicación más conveniente o para mejorar la vista lateral desde la posición del piloto. [34] En 1905, Dunne ya había construido un modelo de planeador con alas en flecha y en 1913 había construido variantes motorizadas exitosas que podían cruzar el Canal de la Mancha . El Dunne D.5 era excepcionalmente estable aerodinámicamente para la época, [36] y el D.8 se vendió al Royal Flying Corps ; también fue fabricado bajo licencia por Starling Burgess para la Armada de los Estados Unidos, entre otros clientes. [37]
El trabajo de Dunne cesó con el inicio de la guerra en 1914, pero después la idea fue retomada por GTR Hill en Inglaterra, quien diseñó una serie de planeadores y aviones según las directrices de Dunne, en particular la serie Westland-Hill Pterodactyl . [38] Sin embargo, las teorías de Dunne tuvieron poca aceptación entre los principales diseñadores de aviones y compañías de aviación de la época. [39]
La idea de utilizar alas en flecha para reducir la resistencia a alta velocidad se desarrolló en Alemania en la década de 1930. En una reunión de la Conferencia Volta en 1935 en Italia, Adolf Busemann sugirió el uso de alas en flecha para el vuelo supersónico . Observó que la velocidad del aire sobre el ala estaba dominada por el componente normal del flujo de aire, no por la velocidad de la corriente libre, por lo que al colocar el ala en un ángulo, la velocidad hacia adelante a la que se formarían las ondas de choque sería mayor (lo mismo había observado Max Munk en 1924, aunque no en el contexto del vuelo a alta velocidad). [40] Albert Betz sugirió inmediatamente que el mismo efecto sería igualmente útil en el transónico. [41] Después de la presentación, el anfitrión de la reunión, Arturo Crocco , dibujó en broma "el avión del futuro de Busemann" en el reverso de un menú mientras todos cenaban. El boceto de Crocco mostraba un diseño clásico de caza de la década de 1950, con alas en flecha y superficies de cola, aunque también dibujó una hélice en flecha que lo impulsaba. [40]
Sin embargo, en ese momento no había forma de impulsar un avión a esas velocidades, e incluso los aviones más rápidos de la época solo se acercaban a los 400 km/h (249 mph). La presentación tuvo un interés principalmente académico y pronto se olvidó. Incluso asistentes notables, como Theodore von Kármán y Eastman Jacobs, no recordaban la presentación diez años después, cuando se les volvió a presentar. [42]
En 1939, Hubert Ludwieg, de la rama de aerodinámica de alta velocidad de la AVA de Göttingen, realizó las primeras pruebas en túnel de viento para investigar la teoría de Busemann. [7] Se probaron dos alas, una sin flecha y otra con 45 grados de flecha, a números de Mach de 0,7 y 0,9 en el túnel de viento de 11 x 13 cm. Los resultados de estas pruebas confirmaron la reducción de la resistencia aerodinámica que ofrecen las alas en flecha a velocidades transónicas. [7] Los resultados de las pruebas se comunicaron a Albert Betz , quien luego se los pasó a Willy Messerschmitt en diciembre de 1939. Las pruebas se ampliaron en 1940 para incluir alas con 15, 30 y -45 grados de flecha y números de Mach de hasta 1,21. [7]
Con la introducción de los aviones a reacción en la segunda mitad de la Segunda Guerra Mundial , el ala en flecha se volvió cada vez más aplicable para satisfacer de manera óptima las necesidades aerodinámicas. El Messerschmitt Me 262 con propulsión a chorro alemán y el Messerschmitt Me 163 con propulsión a cohete sufrieron efectos de compresibilidad que hicieron que ambos aviones fueran muy difíciles de controlar a altas velocidades. Además, las velocidades los ponían en el régimen de resistencia de las olas , y cualquier cosa que pudiera reducir esta resistencia aumentaría el rendimiento de sus aviones, en particular los tiempos de vuelo notoriamente cortos medidos en minutos. Esto resultó en un programa de choque para introducir nuevos diseños de alas en flecha, tanto para cazas como para bombarderos . El Blohm & Voss P 215 fue diseñado para aprovechar al máximo las propiedades aerodinámicas del ala en flecha; sin embargo, se recibió un pedido de tres prototipos solo unas semanas antes de que terminara la guerra y nunca se construyeron ejemplares. [43] El Focke-Wulf Ta 183 fue otro diseño de caza de ala en flecha, pero tampoco se produjo antes del final de la guerra. [44] En la era de la posguerra, Kurt Tank desarrolló el Ta 183 hasta convertirlo en el IAe Pulqui II , pero esto no tuvo éxito. [45]
Se construyó un prototipo de avión de prueba, el Messerschmitt Me P.1101 , para investigar las ventajas y desventajas del diseño y desarrollar reglas generales sobre qué ángulo de barrido utilizar. [46] Cuando estuvo completo en un 80%, el P.1101 fue capturado por las fuerzas estadounidenses y devuelto a los Estados Unidos , donde dos copias adicionales con motores fabricados en los Estados Unidos continuaron la investigación como el Bell X-5 . [47] La experiencia de Alemania en tiempos de guerra con las alas en flecha y su alto valor para el vuelo supersónico contrastaban fuertemente con las opiniones predominantes de los expertos aliados de la época, que comúnmente defendían su creencia en la imposibilidad de que los vehículos tripulados viajaran a tales velocidades. [48]
Durante la era inmediatamente posterior a la guerra, varias naciones estaban realizando investigaciones sobre aviones de alta velocidad. En el Reino Unido, se comenzó a trabajar durante 1943 en el Miles M.52 , un avión experimental de alta velocidad equipado con un ala recta que se desarrolló en conjunto con la compañía Power Jets de Frank Whittle , el Royal Aircraft Establishment (RAE) en Farnborough y el National Physical Laboratory . [49] Se concibió que el M.52 fuera capaz de alcanzar las 1.000 millas por hora (1.600 km/h) en vuelo nivelado, lo que permitiría al avión ser potencialmente el primero en superar la velocidad del sonido en el mundo. [49] En febrero de 1946, el programa se interrumpió abruptamente por razones poco claras. [50] Desde entonces se ha reconocido ampliamente que la cancelación del M.52 fue un gran revés en el progreso británico en el campo del diseño supersónico. [34]
Otro programa más exitoso fue el Bell X-1 de los Estados Unidos , que también estaba equipado con un ala recta. Según el aerodinámico jefe de Miles, Dennis Bancroft, la compañía Bell Aircraft tuvo acceso a los dibujos y la investigación sobre el M.52. [51] El 14 de octubre de 1947, el Bell X-1 realizó el primer vuelo supersónico tripulado, pilotado por el capitán Charles "Chuck" Yeager , después de haber sido lanzado desde el compartimento de bombas de un Boeing B-29 Superfortress y alcanzó una velocidad récord de Mach 1,06 (700 millas por hora (1100 km/h; 610 nudos)). [34] La noticia de un exitoso avión supersónico de ala recta sorprendió a muchos expertos aeronáuticos de ambos lados del Atlántico, ya que cada vez se creía más que un diseño de ala en flecha no solo era muy beneficioso sino también necesario para romper la barrera del sonido. [48]
Durante los últimos años de la Segunda Guerra Mundial, el diseñador de aviones Sir Geoffrey de Havilland comenzó el desarrollo del De Havilland Comet , que se convertiría en el primer avión de pasajeros a reacción del mundo. Una consideración inicial del diseño fue si se debía aplicar la nueva configuración de ala en flecha. [52] Por lo tanto, en 1944 la empresa desarrolló un avión experimental para explorar la tecnología, el De Havilland DH 108 , dirigido por el ingeniero de proyectos John Carver Meadows Frost con un equipo de 8 a 10 dibujantes e ingenieros. El DH 108 consistía principalmente en la combinación del fuselaje delantero del De Havilland Vampire con un ala en flecha y una pequeña cola vertical; fue el primer avión a reacción británico de ala en flecha, conocido extraoficialmente como "Swallow". [53] Voló por primera vez el 15 de mayo de 1946, apenas ocho meses después del visto bueno del proyecto. El piloto de pruebas de la compañía e hijo del constructor, Geoffrey de Havilland Jr. , voló el primero de los tres aviones y lo encontró extremadamente rápido, lo suficientemente rápido como para intentar batir un récord mundial de velocidad. El 12 de abril de 1948, un DH108 estableció un récord mundial de velocidad al alcanzar los 973,65 km/h (605 mph), convirtiéndose posteriormente en el primer avión a reacción en superar la velocidad del sonido. [54]
En esa misma época, el Ministerio del Aire introdujo un programa de aviones experimentales para examinar los efectos de las alas en flecha, así como la configuración del ala delta . [55] Además, la Real Fuerza Aérea (RAF) identificó un par de aviones de combate propuestos equipados con alas en flecha de Hawker Aircraft y Supermarine , el Hawker Hunter y el Supermarine Swift respectivamente, y presionó con éxito para que se hicieran pedidos "fuera de la mesa de dibujo" en 1950. [56] El 7 de septiembre de 1953, el único Hunter Mk 3 (el primer prototipo modificado, WB 188 ) pilotado por Neville Duke rompió el récord mundial de velocidad aérea para aviones a reacción, alcanzando una velocidad de 727,63 mph (1.171,01 km/h) sobre Littlehampton , West Sussex . [57] Este récord mundial se mantuvo durante menos de tres semanas antes de ser batido el 25 de septiembre de 1953 por el primer rival del Hunter, el Supermarine Swift, pilotado por Michael Lithgow. [58]
En febrero de 1945, el ingeniero de la NACA Robert T. Jones comenzó a estudiar las alas delta muy en flecha y las formas en V, y descubrió los mismos efectos que Busemann. Terminó un informe detallado sobre el concepto en abril, pero se encontró con que su trabajo fue duramente criticado por otros miembros de la NACA Langley , en particular Theodore Theodorsen, que se refirió a él como "abracadabra" y exigió algo de "matemáticas reales". [40] Sin embargo, Jones ya había conseguido algo de tiempo para los modelos de vuelo libre bajo la dirección de Robert Gilruth , cuyos informes se presentaron a fines de mayo y mostraron una disminución de cuatro veces en la resistencia a altas velocidades. Todo esto se recopiló en un informe publicado el 21 de junio de 1945, que se envió a la industria tres semanas después. [59] Irónicamente, en este punto el trabajo de Busemann ya había circulado.
En mayo de 1945, la Operación Paperclip estadounidense llegó a Braunschweig , donde el personal estadounidense descubrió varios modelos de alas en flecha y una gran cantidad de datos técnicos de los túneles de viento. Un miembro del equipo estadounidense era George S. Schairer , que en ese momento trabajaba en la empresa Boeing. Inmediatamente envió una carta a Ben Cohn en Boeing, comunicándole el valor del concepto de ala en flecha. [60] [61] También le dijo a Cohn que distribuyera la carta a otras empresas también, aunque solo Boeing y North American hicieron uso inmediato de ella. [ cita requerida ]
Boeing estaba en medio del diseño del B-47 Stratojet , y el Modelo 424 inicial era un diseño de ala recta similar al B-45 , B-46 y B-48 con el que competía. El análisis del ingeniero de Boeing Vic Ganzer sugirió un ángulo de flecha hacia atrás óptimo de unos 35 grados. [62] Para septiembre de 1945, los datos de Braunschweig se habían incorporado al diseño, que resurgió como el Modelo 448, un diseño de seis motores más grande con alas más robustas barridas a 35 grados. [40] Otra reelaboración trasladó los motores a cápsulas montadas en puntales debajo de las alas debido a las preocupaciones de que la falla no contenida de un motor interno pudiera destruir potencialmente la aeronave por incendio o vibración. [63] El B-47 resultante fue aclamado como el más rápido de su clase en el mundo a fines de la década de 1940, [64] y derrotó a la competencia de ala recta. La fórmula de Boeing para el transporte a reacción, con alas en flecha y motores montados en pilones, ha sido adoptada desde entonces universalmente. [ cita requerida ]
En cazas, North American Aviation estaba en medio de trabajar en un caza naval con propulsión a chorro de ala recta, entonces conocido como FJ-1 ; más tarde fue presentado a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos como XP-86 . [65] Larry Green, que podía leer alemán, estudió los informes de Busemann y convenció a la gerencia para permitir un rediseño a partir de agosto de 1945. [40] [66] [67] El rendimiento del F-86A le permitió establecer el primero de varios récords mundiales oficiales de velocidad , alcanzando 671 millas por hora (1.080 km/h) el 15 de septiembre de 1948, pilotado por el mayor Richard L. Johnson . [68] Con la aparición del MiG-15, el F-86 se apresuró al combate, mientras que los aviones a reacción de ala recta como el Lockheed P-80 Shooting Star y el Republic F-84 Thunderjet fueron rápidamente relegados a misiones de ataque terrestre. Algunos, como el F-84 y el Grumman F-9 Cougar , fueron posteriormente rediseñados con alas en flecha a partir de aviones de ala recta. [69] [70] Aviones posteriores, como el North American F-100 Super Sabre , se diseñarían con alas en flecha desde el principio, aunque serían necesarias innovaciones adicionales como el postquemador, la regla de área y nuevas superficies de control para dominar el vuelo supersónico. [71] [12]
La Unión Soviética también se apresuró a investigar las ventajas de las alas en flecha en los aviones de alta velocidad, cuando sus homólogos de "tecnología de aviación capturada" de los aliados occidentales se extendieron por el derrotado Tercer Reich. El departamento de investigación de aviación TsAGI del gobierno soviético le pidió a Artem Mikoyan que desarrollara un avión de prueba para investigar la idea del ala en flecha; el resultado fue el inusual avión MiG-8 Utka con diseño de canard de empuje , que voló a fines de 1945 , con sus alas ubicadas hacia atrás en flecha para este tipo de investigación. [72] El ala en flecha se aplicó al MiG-15 , uno de los primeros cazas a reacción, su velocidad máxima de 1075 km/h (668 mph) superó a los jets estadounidenses de ala recta y los cazas con motor de pistón desplegados inicialmente durante la Guerra de Corea . [73] Se cree que el MiG-15 fue uno de los aviones a reacción más producidos ; finalmente se fabricaron más de 13 000. [74]
El MiG-15, que no podía superar con seguridad Mach 0,92, sirvió como base para el MiG-17 , que fue diseñado para ser controlable a números de Mach más altos. [75] Su barrido de ala, 45° cerca del fuselaje (el mismo que el F-100 Super Sabre ), cambió a 42° para la parte exterior del ala. [76] Otro derivado del diseño, designado MiG-19 , presentaba un ala relativamente delgada adecuada para el vuelo supersónico que fue diseñada en TsAGI, el Instituto Aerohidrodinámico Central Soviético ; barrida hacia atrás en un ángulo de 55 grados, esta ala presentaba una sola valla de ala en cada lado. [77] Una variante especializada para grandes altitudes, el MiG-19SV, presentó, entre otros cambios, un flap ajustable para generar mayor sustentación a mayores altitudes, lo que ayudó a aumentar el techo del avión de 17.500 m (57.400 pies) a 18.500 m (60.700 pies). [78] [79]
La investigación alemana sobre el ala en flecha también fue obtenida por el fabricante de aviones sueco SAAB , con la ayuda de ex ingenieros de Messerschmitt que habían huido a Suiza a fines de 1945. [80] [81] En ese momento, SAAB vio la necesidad de realizar avances aeronáuticos, particularmente en el nuevo campo de la propulsión a chorro. [82] La compañía incorporó tanto el motor a reacción como el ala en flecha para producir el caza Saab 29 Tunnan ; el 1 de septiembre de 1948, el primer prototipo realizó su vuelo inaugural, pilotado por el piloto de pruebas inglés S/L Robert A. 'Bob' Moore, DFC y bar, [83] Aunque no es muy conocido fuera de Suecia, el Tunnan fue el primer caza de Europa occidental en ser introducido con tal configuración de ala. [84] [85] Paralelamente, SAAB también desarrolló otro avión de ala en flecha, el Saab 32 Lansen , principalmente para servir como avión de ataque estándar de Suecia. [86] Su ala, que tenía un perfil laminar del 10 por ciento y un barrido de 35°, presentaba vallas triangulares cerca de las raíces del ala para mejorar el flujo de aire cuando el avión volaba en un ángulo de ataque alto . [86] [87] El 25 de octubre de 1953, un SAAB 32 Lansen alcanzó un número de Mach de al menos 1,12 mientras estaba en un picado superficial, superando la barrera del sonido . [87]
Los éxitos de aviones como el Hawker Hunter, el B-47 y el F-86 demostraron el valor de la investigación de alas en flecha adquirida de Alemania. Con el tiempo, casi todos los esfuerzos de diseño avanzados para aviones de alta velocidad incorporarían un ala con un borde de ataque en flecha, con una planta en flecha o en delta . El Boeing B-52, diseñado en la década de 1950, continúa en servicio como un bombardero pesado subsónico de largo alcance. [88] [89] Si bien los soviéticos nunca igualaron el rendimiento del Boeing B-52 Stratofortress con un avión a reacción, el bombardero turbohélice Tupolev Tu-95 de alcance intercontinental con su velocidad máxima de clase cercana a la de un avión a reacción de 920 km/h, que combina alas en flecha con propulsión de hélice, también sigue en servicio hoy en día, siendo el avión de producción con propulsión de hélice más rápido. [90] En Gran Bretaña, entraron en servicio dos bombarderos de ala en flecha, el Vickers Valiant (1955) [91] y el Handley Page Victor (1958). [92]
A principios de la década de 1950, casi todos los nuevos cazas tenían un ala en flecha. En la década de 1960, la mayoría de los aviones civiles también adoptaron alas en flecha. La mayoría de los primeros diseños transónicos y supersónicos, como el MiG-19 y el F-100, usaban alas largas y muy en flecha. Las alas en flecha alcanzarían Mach 2 en el BAC Lightning y el Republic F-105 Thunderchief , construido para operar a bajo nivel y a muy alta velocidad principalmente para ataques nucleares, pero con una capacidad secundaria aire-aire. [93] A fines de la década de 1960, el McDonnell F-4 Phantom II fue utilizado en grandes cantidades por fuerzas aéreas influenciadas por los Estados Unidos. Las alas de geometría variable se emplearon en el F-111 estadounidense , el Grumman F-14 Tomcat y el Mikoyan MiG-27 soviético , aunque la idea sería abandonada para el diseño SST estadounidense. Después de la década de 1970, la mayoría de los cazas de nueva generación optimizados para maniobrar en combate aéreo desde el F-15 de la USAF y el Mikoyan MiG-29 soviético han empleado alas fijas de envergadura relativamente corta con una superficie alar relativamente grande. [ cita requerida ]
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