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Un ala en flecha hacia adelante o en flecha hacia atrás es una configuración del ala de un avión en la que la línea de cuarto de cuerda del ala tiene una flecha hacia adelante. Normalmente, el borde de ataque también tiene una flecha hacia adelante.
La configuración barrida hacia adelante tiene una serie de características que aumentan a medida que aumenta el ángulo de barrido .
La ubicación trasera del larguero del ala principal daría lugar a una disposición interior más eficiente con más espacio utilizable.
El aire que fluye sobre cualquier ala en flecha tiende a moverse en el sentido de la envergadura hacia el extremo más posterior del ala. En un ala en flecha hacia atrás, esto es hacia afuera, hacia la punta, mientras que en un ala en flecha hacia adelante, es hacia adentro, hacia la raíz. Como resultado, la peligrosa condición de pérdida de sustentación en la punta de un diseño en flecha hacia atrás se convierte en una pérdida de sustentación más segura y controlable en la raíz de un diseño en flecha hacia adelante. Esto permite un control total de los alerones a pesar de la pérdida de sustentación, y también significa que no se requieren ranuras en el borde de ataque que induzcan resistencia u otros dispositivos. A velocidades transónicas, las ondas de choque se acumulan primero en la raíz en lugar de en la punta, lo que nuevamente ayuda a garantizar un control efectivo de los alerones.
Con el aire fluyendo hacia el interior, se reducen los vórtices en las puntas de las alas y la resistencia que los acompaña. En cambio, el fuselaje actúa como una gran valla alar y, como las alas son generalmente más grandes en la base, esto aumenta el coeficiente de sustentación máximo, lo que permite un ala más pequeña. Como resultado, se mejora la maniobrabilidad, especialmente en ángulos de ataque altos .
Un problema con el diseño de flecha hacia adelante es que cuando un ala en flecha se desvía hacia los lados (se mueve sobre su eje vertical), un ala retrocede mientras que la otra avanza. En un diseño de flecha hacia adelante, esto reduce la flecha del ala trasera, lo que aumenta su resistencia y la empuja más hacia atrás, lo que aumenta la cantidad de guiñada y conduce a la inestabilidad direccional. Esto puede provocar un giro holandés en reversa. [1]
Una de las desventajas de las alas en flecha hacia adelante es la mayor probabilidad de divergencia, una consecuencia aeroelástica de la fuerza de sustentación en las alas en flecha hacia adelante que tuerce la punta hacia arriba bajo una mayor sustentación. En un diseño en flecha hacia adelante, esto causa un bucle de retroalimentación positiva que aumenta el ángulo de incidencia en la punta, lo que aumenta la sustentación e induce una mayor deflexión, lo que resulta en aún más sustentación y cambios adicionales en la forma del ala. El efecto de la divergencia aumenta con la velocidad. La velocidad máxima segura por debajo de la cual esto no sucede es la velocidad de divergencia del avión.
Este aumento de la sustentación de la punta bajo carga hace que el ala se tense en los giros y puede dar lugar a una caída en espiral de la que no es posible recuperarse. En el peor de los casos, la estructura del ala puede verse sometida a una tensión tal que se rompa.
En ángulos de barrido amplios y velocidades elevadas, para construir una estructura lo suficientemente rígida como para resistir la deformación y al mismo tiempo lo suficientemente ligera como para ser practicable, se requieren materiales avanzados como los compuestos de fibra de carbono. Los compuestos también permiten una adaptación aeroelástica al alinear las fibras para influir en la naturaleza de la deformación y lograr una forma más favorable, lo que afecta la pérdida de sustentación y otras características.
Cualquier ala en flecha tiende a ser inestable en pérdida , ya que las puntas del ala entran en pérdida primero, lo que provoca una fuerza de cabeceo hacia arriba que empeora la pérdida y dificulta la recuperación. Este efecto es menos significativo con el ala en flecha hacia adelante porque el extremo trasero tiene mayor sustentación y proporciona estabilidad.
Sin embargo, si la flexión aeroelástica es suficiente, se puede contrarrestar esta tendencia aumentando el ángulo de ataque en las puntas del ala hasta tal punto que las puntas entren en pérdida primero y se pierda una de las principales características del diseño: en un ala convencional, las puntas siempre entran en pérdida primero. Este tipo de pérdida de la punta puede ser impredecible, especialmente cuando una punta entra en pérdida antes que la otra.
Los materiales compuestos permiten una adaptación aeroelástica, de modo que cuando el ala se acerca a la pérdida, se tuerce al doblarse, de modo que se reduce el ángulo de ataque en las puntas. Esto garantiza que la pérdida se produzca en la raíz del ala, lo que la hace más predecible y permite que los alerones mantengan el control total.
Belyaev, el autor del proyecto DB-LK mencionado a continuación, probó los planeadores de ala en flecha hacia adelante BP-2 y BP-3 en 1934 y 1935. [2] [3] Otros estudios de diseño anteriores a la guerra incluyeron las series polacas PWS Z-17, Z-18 y Z-47 "Sęp".
Los diseños de alas con flechas hacia adelante, algunos de los cuales se habían comenzado a diseñar durante el período anterior a la guerra, se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial, de forma independiente en Alemania, la Unión Soviética, Japón y los Estados Unidos. Uno de los primeros ejemplos que voló, en 1940, fue el Belyayev DB-LK soviético, un diseño de doble mástil con secciones de alas externas con flechas hacia adelante y puntas con flechas hacia atrás. Se dice que voló bien. El avión de investigación Babochka propuesto por Belyayev fue cancelado después de la invasión alemana.
Durante la Segunda Guerra Mundial, se puede decir que numerosos aviones de combate, bombarderos y otros aviones militares tenían alas en flecha hacia adelante, debido a que la cuerda promedio de sus alas era en flecha hacia adelante. Sin embargo, estos diseños casi siempre utilizaban un borde de ataque en flecha hacia atrás, lo que técnicamente los convertiría en alas trapezoidales de alta relación de aspecto .
El avión estadounidense Cornelius Mallard voló el 18 de agosto de 1943. El Mallard estaba propulsado por un solo motor, pero lo siguieron los prototipos Cornelius XFG-1 , que eran tanques de combustible voladores, sin motor y diseñados para ser remolcados por aviones más grandes. Estos diseños de Cornelius eran inusuales porque no solo tenían una flecha hacia adelante, sino que además no tenían cola.
Mientras tanto, en Alemania, Hans Wocke estudiaba los problemas de las alas en flecha a velocidades cercanas a la del sonido, que eran capaces de alcanzar los nuevos motores a reacción. Reconoció muchas de las ventajas que ofrecía el diseño de flecha hacia delante en comparación con los diseños de flecha hacia atrás que se estaban desarrollando en ese momento, y también comprendió las implicaciones de la flexión aeroelástica y la inestabilidad de la guiñada. Su primer diseño de este tipo en volar fue el Junkers Ju 287 , el 16 de agosto de 1944. Las pruebas de vuelo de este y de las variantes posteriores confirmaron las ventajas a baja velocidad, pero pronto también revelaron los problemas esperados, que impidieron las pruebas a alta velocidad.
Wocke y el prototipo incompleto Ju 287 V3 fueron capturados y, en 1946, llevados a Moscú, donde el avión fue completado y voló al año siguiente como el OKB-1 EF 131. El posterior OKB-1 EF 140 era esencialmente el mismo fuselaje rediseñado con un par de motores a reacción soviéticos de diseño Mikulin de mayor empuje. En 1948, la Unión Soviética creó el Tsybin LL-3. [4] El prototipo posteriormente tendría un gran impacto en el Sukhoi SYB-A, que se completó en 1982.
Cuando la investigación alemana llegó a los Estados Unidos después de la guerra, se presentaron varias propuestas, entre ellas el bombardero supersónico Convair XB-53 y las variantes de flecha hacia adelante del North American P-51 Mustang , el avión cohete Bell X-1 y el Douglas D-558-I . La propuesta de Bell llegó a la etapa de pruebas en el túnel de viento, donde se confirmaron los problemas de aeroelasticidad. Los problemas estructurales confirmados por la serie Ju 287 y los estudios Bell X-1 resultaron tan graves que los materiales disponibles en ese momento no podían hacer que un ala fuera lo suficientemente fuerte y rígida sin hacerla también demasiado pesada para ser práctica. Como resultado, se abandonó el diseño de flecha hacia adelante para diseños de alta velocidad, hasta muchos años después, cuando se dispondría de nuevos materiales estructurales.
Pequeñas cantidades de barrido no causan problemas graves e incluso un barrido moderado hacia adelante permite un movimiento significativo hacia atrás del punto de fijación del larguero principal y de la estructura de transporte.
En 1954, Wocke regresó a la República Democrática Alemana, trasladándose poco después a Alemania Occidental y uniéndose a Hamburger Flugzeugbau (HFB) como su diseñador jefe. [1] En Hamburgo, Wocke completó el trabajo en el avión comercial HFB 320 Hansa Jet que voló en 1964. El barrido hacia adelante permitió que el larguero principal se moviera hacia atrás detrás de la cabina para que el larguero no necesitara proyectarse hacia la cabina.
El barrido moderado hacia adelante se ha utilizado por razones similares en muchos diseños, principalmente planeadores y aviones ligeros . Muchos planeadores de entrenamiento de ala alta con dos asientos en tándem tienen alas ligeramente barridas hacia adelante para permitir que la raíz del ala se ubique más atrás para evitar que el ala oculte la visibilidad lateral del ocupante trasero. Ejemplos típicos son el Schleicher ASK 13 y el Let Kunovice LET L-13 Blaník .
Otros ejemplos incluyen:
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Los grandes ángulos de barrido necesarios para el vuelo a alta velocidad siguieron siendo poco prácticos durante muchos años.
A finales de los años 1970, la DARPA comenzó a investigar el uso de nuevos materiales compuestos para evitar el problema de la reducción de la velocidad de divergencia mediante un diseño aeroelástico. La tecnología fly-by-wire permitió que el diseño fuera dinámicamente inestable y mejoró la maniobrabilidad. Grumman construyó dos demostradores de tecnología X-29 , que volaron por primera vez en 1984, con alas en flecha hacia adelante y canards . Maniobrable en altos ángulos de ataque , el X-29 permaneció controlable en un ángulo de ataque de 67°. [6]
Los avances en la tecnología de vectorización de empuje y un cambio en las tácticas de combate aéreo hacia enfrentamientos con misiles de alcance medio redujeron la relevancia de un avión de combate altamente ágil.
En 1997, Sukhoi presentó el prototipo del caza Su-47 en el Salón Aeronáutico de París . No llegó a entrar en producción, aunque se sometió a una serie de pruebas de vuelo y actuó en varios salones aéreos .
El KB SAT SR-10 es un prototipo de avión de entrenamiento a reacción monomotor ruso, equipado con alas en flecha hacia adelante. Realizó su primer vuelo en 2015.
Los pterosaurios de cabeza grande tenían alas extendidas hacia adelante para tener un mejor equilibrio en el vuelo. [7]