En aeronáutica , un avión sin cola es un avión que no tiene otra superficie aerodinámica horizontal además de su ala principal . [1] Todavía puede tener un fuselaje , una aleta de cola vertical ( estabilizador vertical ) y/o un timón vertical .
Las ventajas teóricas de la configuración sin cola incluyen una baja resistencia parásita como en el planeador Horten H.IV y buenas características de sigilo como en el bombardero Northrop B-2 Spirit . Las desventajas incluyen una posible sensibilidad al recorte .
Se han volado aviones sin cola desde los días de los pioneros; El primer avión estable que voló fue el Dunne D.5 sin cola , en 1910. La configuración sin cola de mayor éxito ha sido la delta sin cola , especialmente para aviones de combate, aunque el avión de pasajeros Concorde también tiene una configuración delta.
La NASA ha utilizado la descripción "sin cola" para el novedoso avión de investigación X-36 , que tiene un plano delantero canard pero no una aleta vertical.
Un avión sin cola no tiene otra superficie horizontal además de su ala principal. Las funciones de control aerodinámico y estabilización tanto en cabeceo como en balanceo están incorporadas en el ala principal. Un tipo sin cola aún puede tener una aleta de cola vertical convencional ( estabilizador vertical ) y un timón . [2] [3] [4]
Un ala voladora es un diseño sin cola que tampoco tiene un fuselaje distinto , teniendo el piloto, los motores, etc. ubicados total o parcialmente en el ala.
Un avión convencional de ala fija tiene una superficie estabilizadora horizontal separada de su ala principal. Esta superficie adicional provoca una resistencia adicional que requiere un motor más potente, especialmente a altas velocidades. Si se puede lograr la estabilidad y el control longitudinal (cabeceo) mediante algún otro método (ver más abajo), se puede quitar el estabilizador y reducir la resistencia.
Un avión sin cola no tiene un estabilizador horizontal separado. Debido a esto, el centro aerodinámico de un ala ordinaria estaría por delante del centro de gravedad del avión, creando inestabilidad en el cabeceo . Se debe utilizar algún otro método para mover el centro aerodinámico hacia atrás y estabilizar el avión . El diseñador tiene dos formas principales de lograrlo; la primera fue desarrollada por el aviador pionero JW Dunne .
Barrer el borde de ataque del ala hacia atrás, ya sea como ala en flecha o ala delta , y reducir el ángulo de incidencia de la sección exterior del ala permite que el ala exterior actúe como un estabilizador de plano de cola convencional. Si esto se hace progresivamente a lo largo del tramo exterior, se llama lavado de punta . Dunne lo logró dándole a la superficie superior del ala una curvatura cónica . En vuelo nivelado, la aeronave debe ajustarse de modo que las puntas no contribuyan a ninguna sustentación: es posible que incluso necesiten proporcionar un pequeño empuje hacia abajo. Esto reduce la eficiencia general del ala, pero en muchos diseños (especialmente para altas velocidades) esto se ve compensado por las reducciones en resistencia, peso y costo en comparación con un estabilizador convencional. La gran envergadura del ala también reduce la maniobrabilidad y, por esta razón, el ejército británico rechazó el diseño de Dunne.
Una alternativa es el uso de perfiles aerodinámicos con momento de cabeceo bajo o nulo , como se ve, por ejemplo, en la serie Horten de planeadores y cazas. Estos utilizan una sección inusual del perfil aerodinámico con cámara refleja o inversa en la parte trasera o en toda el ala. Con camber réflex, el lado más plano del ala está en la parte superior y el lado fuertemente curvado está en la parte inferior, por lo que la sección delantera presenta un alto ángulo de ataque mientras que la sección trasera es más horizontal y no aporta sustentación, por lo que actúa como un plano de cola. o las puntas descoloridas de un ala en flecha. La curvatura refleja se puede simular instalando grandes elevadores en un perfil aerodinámico convencional y recortándolos notablemente hacia arriba; el centro de gravedad también debe adelantarse respecto de la posición habitual. Debido al efecto Bernoulli , el camber reflejo tiende a crear un pequeño empuje hacia abajo, por lo que se aumenta el ángulo de ataque del ala para compensar. Esto a su vez crea una resistencia adicional. Este método permite una elección más amplia de forma en planta del ala que el barrido hacia atrás y el lavado, y los diseños han incluido alas rectas e incluso circulares (Arup). Pero generalmente se considera que la resistencia inherente a un alto ángulo de ataque hace que el diseño sea ineficiente, y sólo unos pocos tipos de producción, como las series de planeadores Fauvel y Marske Aircraft , lo han utilizado.
Un enfoque más sencillo es superar la inestabilidad ubicando el peso principal del avión a una distancia significativa por debajo del ala, de modo que la gravedad tienda a mantener el avión en actitud horizontal y así contrarrestar cualquier inestabilidad aerodinámica, como en el parapente . Sin embargo, en la práctica esto rara vez es suficiente para proporcionar estabilidad por sí solo y, por lo general, se ve aumentado por las técnicas aerodinámicas descritas. Un ejemplo clásico es el ala delta Rogallo , que utiliza el mismo barrido, lavado y superficie cónica que Dunne.
La estabilidad también se puede conseguir de forma artificial. Existe un equilibrio entre estabilidad y maniobrabilidad. Un alto nivel de maniobrabilidad requiere un bajo nivel de estabilidad. Algunos aviones de combate modernos de alta tecnología son aerodinámicamente inestables en cabeceo y dependen del control por computadora de vuelo por cable para proporcionar estabilidad. El ala voladora Northrop Grumman B-2 Spirit es un ejemplo.
Muchos de los primeros diseños no lograron proporcionar un control de cabeceo eficaz para compensar la falta del estabilizador. Algunos ejemplares eran estables pero su altura sólo podía controlarse utilizando la potencia del motor. Otros podrían subir o bajar bruscamente e incontrolablemente si no se los maneja con cuidado. Estos dieron a los diseños sin cola una reputación de inestabilidad. No fue hasta el éxito posterior de la configuración delta sin cola en la era del jet que se aceptó ampliamente que esta reputación era inmerecida.
La solución habitualmente adoptada es proporcionar grandes superficies de elevación y/o elevones en el borde de salida del ala. A menos que el ala esté muy barrida, éstas deben generar grandes fuerzas de control, ya que su distancia al centro aerodinámico es pequeña y los momentos menores. Por lo tanto, un modelo sin cola puede experimentar una mayor resistencia durante las maniobras de cabeceo que su equivalente convencional. En un ala delta muy curvada, la distancia entre el borde de fuga y el centro aerodinámico es mayor, por lo que no se requieren superficies ampliadas. La serie delta sin cola Dassault Mirage y sus derivados se encontraban entre los aviones de combate más utilizados. Sin embargo, incluso en el Mirage, el control del cabeceo en los altos ángulos de ataque experimentados durante el despegue y el aterrizaje podría ser problemático y algunos derivados posteriores presentaban superficies canard adicionales .
Un avión convencional es inestable en guiñada y necesita una aleta trasera para mantenerlo recto. El movimiento de los alerones crea una guiñada adversa que lo desvía del giro, que también tiene que ser compensada por el timón . Si bien un ala en flecha es estable en vuelo recto, aún experimenta una guiñada adversa durante un giro. Una solución es darle al ala suficiente torsión para que la sección exterior se incline hacia abajo y proporcione sustentación negativa. Esto invierte la acción adversa de guiñada de los alerones, ayudando al avión a girar y eliminando la necesidad de un timón vertical o spoilers de arrastre diferencial.
También se ha demostrado que la distribución de elevación en forma de campana que esto produce minimiza la resistencia inducida para un peso determinado (en comparación con la distribución elíptica, que la minimiza para un tramo determinado). [5]
Entre 1905 y 1913, el oficial del ejército británico y aeronauta JW Dunne desarrolló una serie de aviones sin cola destinados a ser inherentemente estables e inestables. Inspirándose en sus estudios de las gaviotas en vuelo, se caracterizaban por tener alas en flecha con una superficie superior cónica. El cono se dispuso de manera que el ala se torciera progresivamente hacia las puntas creando una incidencia negativa y, por lo tanto, una sustentación negativa en las secciones exteriores, creando estabilidad general tanto en cabeceo como en guiñada. Una única superficie de control en el borde de salida de cada punta de ala actuaba como alerón y elevador combinados. Dunne tenía una apreciación cualitativa avanzada de los principios aerodinámicos involucrados, e incluso entendía cómo la sustentación negativa en las puntas de las alas, combinada con un ángulo anédrico pronunciado hacia abajo, mejoraba la estabilidad direccional. [6]
Aunque originalmente concebido como un monoplano , los diseños iniciales de Dunne para el Ejército debían ser biplanos , típicamente con una góndola de fuselaje entre los aviones con una hélice empujadora montada en la parte trasera y aletas de placa terminal fijas entre cada par de puntas de ala.
Después de que terminó su trabajo en el ejército, en 1910, Orville Wright y Griffith Brewer presenciaron el biplano D.5 en vuelo estable , quienes presentaron un informe oficial a la Royal Aeronautical Society a tal efecto. [7] Se convirtió así en el primer avión en lograr estabilidad natural en vuelo, así como en el primer avión práctico sin cola. El último D.8 fue construido bajo licencia y vendido comercialmente por W. Starling Burgess en Estados Unidos como Burgess-Dunne.
También regresó a su monoplano. El D.6 de 1911 era un monoplano de ala alta de tipo empujador que también presentaba un pronunciado anédrico o caída en las puntas de las alas. Las superficies de control ahora también actuaban como timones.
Muchas de las ideas de Dunne sobre la estabilidad siguen siendo válidas y se sabe que influyó en diseñadores posteriores como John K. Northrop (padre del bombardero furtivo Northrop Grumman B-2 Spirit ). [ cita necesaria ]
Después de la Primera Guerra Mundial, el piloto Geoffrey TR Hill también buscó un diseño estable e inestable. Dunne brindó algo de ayuda inicialmente y Hill pasó a producir la serie Pterodactyl de aviones sin cola desde la década de 1920 en adelante. Hill también comenzó a desarrollar la teoría del perfil aerodinámico intrínsecamente estable y la incorporó a sus diseños.
Los teóricos alemanes desarrollaron aún más la teoría del perfil aerodinámico estable. El diseñador Alexander Lippisch produjo su primer diseño sin cola, el Delta I, en 1931. Luego construyó una serie de diseños cada vez más sofisticados y, al final de la Segunda Guerra Mundial, fue llevado a Estados Unidos para continuar su trabajo .
Durante la Segunda Guerra Mundial , Lippisch trabajó para el diseñador alemán Willy Messerschmitt en el primer avión sin cola que entró en producción, el Me 163 Komet . Fue el único interceptor propulsado por cohetes que jamás se puso en servicio en primera línea y fue el avión más rápido en alcanzar el servicio operativo durante la guerra.
En la década de 1930, Walter y Reimar Horten comenzaron a construir planeadores sencillos sin cola, el primero de los cuales voló en 1933. Los Hortens diseñaron la primera ala voladora propulsada por un jet del mundo , la Horten Ho 229.
Paralelamente a Lippisch, Jack Northrop desarrolló en Estados Unidos sus propias ideas sobre diseños sin cola. El N-1M voló en 1941 y le siguieron una sucesión de tipos sin cola, algunos de ellos con verdaderas alas voladoras.
En la década de 1940, el diseñador de aviones británico John Carver Meadows Frost desarrolló el avión de investigación propulsado por un jet sin cola llamado de Havilland DH.108 Swallow , construido utilizando el fuselaje delantero del caza a reacción de Havilland Vampire . Uno de ellos fue posiblemente uno de los primeros aviones en romper la barrera del sonido: lo hizo durante una inmersión poco profunda y varios testigos escucharon el estallido sónico. [ cita necesaria ] Los tres construidos se perdieron en accidentes fatales.
El DINFIA IA 38 fue un avión de transporte experimental cuatrimotor sin cola argentino de los años 1960 , diseñado bajo la dirección de Reimar Horten y basado en el proyecto alemán Horten H.VIII y construido por la DINFIA .
Similar al DH.108, el Northrop X-4 de 1948 con motor bimotor fue uno de la serie de aviones experimentales X-planes de posguerra desarrollados en los Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial para volar en programas de investigación que exploraban los desafíos de la alta -velocidad de vuelo transónico y más allá. Tenía problemas aerodinámicos similares a los del DH.108, pero ambos ejemplares X-4 construidos sobrevivieron a sus programas de pruebas de vuelo sin incidentes graves a lo largo de unos 80 vuelos de investigación en total entre 1950 y 1953, alcanzando sólo velocidades máximas de 640 mph (1.035 km/h). h).
La serie francesa Mirage de aviones de combate supersónicos fue un ejemplo de la configuración delta sin cola y se convirtió en uno de los aviones a reacción occidentales más producidos. Por el contrario, el caza de alas delta equivalente ampliamente producido en la Unión Soviética, el Mikoyan-Gurevich MiG-21 , tiene un estabilizador de cola.
En la década de 1950, el prototipo Convair F2Y Sea Dart se convirtió en el único hidroavión que superó la velocidad del sonido. Convair construyó varios otros tipos de deltas sin cola exitosos.
El transporte supersónico anglo-francés Concorde , y su homólogo soviético, el Tupolev Tu-144 , eran aviones de pasajeros supersónicos sin cola, con alas delta ojivales. A menudo se destacaba la gracia y la belleza de estos aviones en vuelo. [8]
El avión de reconocimiento estratégico estadounidense Lockheed SR-71 Blackbird es el avión a reacción más rápido y alcanza velocidades superiores a Mach 3.
El ala de diseño aerodinámico de investigación preliminar para reducir la resistencia (PRANDTL-D) de la NASA ha sido desarrollada por Al Bowers en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA . Bowers se inspiró en el trabajo de Ludwig Prandtl y, al igual que Dunne, en observar el vuelo de los pájaros. Al igual que con el diseño de Dunne, tiene un giro de ala suficiente para colocar las puntas de las alas en un ángulo negativo y crear el mismo acoplamiento positivo de giro y guiñada. [9] [10] [11] Bowers desarrolló un análisis cuantitativo de las características de elevación, lo que llevó a su descubrimiento más general de una distribución de elevación en forma de campana que minimiza la resistencia inducida por el peso de la aeronave. Aplicó esta distribución en la serie de diseños "Prandtl-D". [5] A finales de 2017, había volado tres de estos modelos de investigación. [12] [13]
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