Un ala delta es un ala con forma de triángulo. Recibe su nombre por su similitud con la letra mayúscula griega delta (Δ).
Aunque se estudió durante mucho tiempo, no encontró aplicaciones significativas hasta la era de los reactores , cuando demostró ser adecuada para vuelos subsónicos y supersónicos de alta velocidad. En el otro extremo de la escala de velocidad, el ala flexible Rogallo demostró ser un diseño práctico para el ala delta y otras aeronaves ultraligeras . La forma del ala delta tiene características aerodinámicas y ventajas estructurales únicas. A lo largo de los años han surgido muchas variaciones de diseño, con y sin superficies estabilizadoras adicionales.
La larga cuerda de raíz del ala delta y la mínima superficie exterior la hacen estructuralmente eficiente. Puede construirse más fuerte, más rígida y al mismo tiempo más ligera que un ala en flecha con una relación de aspecto y una capacidad de sustentación equivalentes . Por ello, su construcción es fácil y relativamente barata, un factor sustancial en el éxito de las series de aviones MiG-21 y Mirage . [ cita requerida ]
Su larga cuerda de raíz también permite una estructura más profunda para una sección de perfil aerodinámico determinada . Esto mejora su característica de ahorro de peso y proporciona un mayor volumen interno para combustible y otros elementos, sin un aumento significativo de la resistencia. Sin embargo, en los diseños supersónicos se suele aprovechar la oportunidad para utilizar un perfil aerodinámico más delgado para reducir realmente la resistencia.
Como cualquier ala, a bajas velocidades, un ala delta requiere un ángulo de ataque alto para mantener la sustentación. En un ángulo suficientemente alto, el ala exhibe separación de flujo , junto con una alta resistencia asociada. [1]
Por lo general, esta separación del flujo provoca una pérdida de sustentación conocida como pérdida de sustentación . Sin embargo, en el caso de un ala delta muy inclinada, a medida que el aire se derrama por el borde de ataque, fluye hacia adentro para generar un patrón de vórtice característico sobre la superficie superior. El extremo inferior de este vórtice permanece unido a la superficie y también acelera el flujo de aire, manteniendo la sustentación. Para ángulos de flecha intermedios, se puede agregar un "bigote" retráctil o una extensión de raíz de borde de ataque fija (LERX) para estimular y estabilizar la formación de vórtices. La curva doble ojival o "copa de vino", vista por ejemplo en el Concorde , incorpora esta extensión hacia adelante en el perfil del ala.
En esta condición, el centro de sustentación se aproxima al centro del área cubierta por el vórtice.
En el régimen subsónico, el comportamiento de un ala delta es generalmente similar al de un ala en flecha. Se desarrolla un elemento lateral característico en el flujo de aire. En esta condición, la sustentación se maximiza a lo largo del borde de ataque del ala, donde el aire gira más bruscamente para seguir sus contornos. Especialmente en un delta esbelto, el centro de sustentación se aproxima a la mitad del borde de ataque.
El efecto lateral también provoca una reducción general de la sustentación y, en algunas circunstancias, también puede provocar un aumento de la resistencia aerodinámica. Puede contrarrestarse mediante el uso de ranuras en el borde de ataque, barreras laterales y dispositivos relacionados.
Con un ángulo de barrido hacia atrás suficientemente grande, en el rango de velocidad transónica a supersónica baja , el borde de ataque del ala permanece detrás del límite de la onda de choque o cono de choque creado por la raíz del borde de ataque.
Esto permite que el aire que se encuentra debajo del borde de ataque fluya hacia afuera, hacia arriba y alrededor de él, y luego hacia adentro, creando un patrón de flujo lateral similar al flujo subsónico. La distribución de la sustentación y otras características aerodinámicas están fuertemente influenciadas por este flujo lateral. [2]
El ángulo de barrido hacia atrás reduce la velocidad aerodinámica normal al borde de ataque del ala, lo que permite que la aeronave vuele a alta velocidad subsónica , transónica o supersónica, mientras se mantienen las características de sustentación subsónica del flujo de aire sobre el ala.
Dentro de este régimen de vuelo, la inclinación del borde de ataque dentro del cono de choque aumenta la sustentación, pero no la resistencia en un grado significativo. [3] Esta inclinación cónica del borde de ataque se introdujo en el Convair F-102A Delta Dagger de producción al mismo tiempo que se rediseñó el diseño del prototipo para incluir la regla de área . También apareció en los siguientes dos deltas de Convair, el F-106 Delta Dart y el B-58 Hustler . [4]
A altas velocidades supersónicas, el cono de choque de la raíz del borde de ataque se inclina aún más hacia atrás para quedar a lo largo de la superficie del ala detrás del borde de ataque. Ya no es posible que se produzca el flujo lateral y las características aerodinámicas cambian considerablemente. [2] Es en este régimen de vuelo que el diseño waverider , tal como se utiliza en el North American XB-70 Valkyrie , se vuelve viable. Aquí, un cuerpo de choque debajo del ala crea una onda de choque adjunta y la alta presión asociada con la onda proporciona una sustentación significativa sin aumentar la resistencia.
Las variantes del plano del ala delta ofrecen mejoras a la configuración básica. [5]
Delta recortado : la punta está cortada. Esto ayuda a mantener la sustentación en el exterior y reduce la separación del flujo de la punta del ala (pérdida de sustentación) en ángulos de ataque altos. La mayoría de los deltas están recortados al menos en cierto grado.
En elDelta compuesto , delta doble o flecha acodada , el borde de ataque no es recto. Normalmente, la sección interior tiene una flecha hacia atrás aumentada, lo que crea un vórtice de alta sustentación controlado sin la necesidad de un plano delantero. Los ejemplos incluyen el caza Saab Draken , el experimental General Dynamics F-16XL y el Hawker Siddeley HS. 138 Concepto VTOL. El delta ogee (oEl delta ojival utilizado en el avión supersónico anglo-francés Concorde es similar, pero con las dos secciones y la punta del ala recortada fusionadas en una curva ojival suave.
Delta de cola : añade un estabilizador vertical convencional (con superficies de cola horizontales) para mejorar el manejo. Es común en los modelos soviéticos, como el Mikoyan-Gurevich MiG-21 .
Delta canard : muchos aviones de combate modernos, como el JAS 39 Gripen , el Eurofighter Typhoon y el Dassault Rafale, utilizan una combinación de planos delanteros canard y un ala delta.
Al igual que otras aeronaves sin cola , el ala delta sin cola no es adecuada para cargas elevadas en las alas y requiere una gran superficie alar para un peso determinado de la aeronave. Los perfiles aerodinámicos más eficientes son inestables en el cabeceo y el tipo sin cola debe utilizar un diseño menos eficiente y, por lo tanto, un ala más grande. Las técnicas utilizadas incluyen:
Las principales ventajas del delta sin cola son la simplicidad estructural y el peso ligero, combinados con una baja resistencia aerodinámica. Estas propiedades ayudaron a hacer del Dassault Mirage III uno de los cazas supersónicos más fabricados de todos los tiempos.
Un estabilizador de cola convencional permite optimizar la sustentación del ala principal y, por lo tanto, hacerla más pequeña y soportar más carga. El desarrollo de aeronaves equipadas con esta configuración se remonta a finales de la década de 1940. [6]
Cuando se utiliza con una cola en T, como en el Gloster Javelin , al igual que otras alas, un ala delta puede dar lugar a una " pérdida profunda " en la que el alto ángulo de ataque en la pérdida hace que la estela turbulenta del ala en pérdida envuelva la cola. Esto hace que el elevador sea ineficaz y el avión no pueda recuperarse de la pérdida. [7] En el caso del Javelin, se desarrolló e implementó un dispositivo de advertencia de pérdida para el Javelin después de la pérdida temprana de un avión en tales condiciones. [8] Según se informa, el equipo de diseño de Gloster había optado por utilizar una configuración delta con cola por necesidad, buscando lograr una maniobrabilidad efectiva a velocidades relativamente altas para la época y al mismo tiempo requiriendo una capacidad de control adecuada cuando se volaba a las velocidades de aterrizaje más lentas deseadas. [9]
Un delta con canard de sustentación puede ofrecer un desplazamiento menor en el centro de sustentación a medida que aumenta el número de Mach en comparación con una configuración de cola convencional.
Un canard descargado o flotante puede permitir una recuperación segura desde un ángulo de ataque alto. Dependiendo de su diseño, una superficie de canard puede aumentar o disminuir la estabilidad longitudinal de la aeronave. [10] [11]
Un plano delantero en delta canard crea su propio vórtice de cola. Si este vórtice interfiere con el vórtice del ala delta principal, esto puede afectar negativamente al flujo de aire sobre el ala y causar un comportamiento no deseado e incluso peligroso. En la configuración de acoplamiento cerrado, el vórtice canard se acopla con el vórtice principal para mejorar sus beneficios y mantener el flujo de aire controlado a través de una amplia gama de velocidades y ángulos de ataque. Esto permite una mejor maniobrabilidad y velocidades de pérdida más bajas, pero la presencia del plano delantero puede aumentar la resistencia a velocidades supersónicas y, por lo tanto, reducir la velocidad máxima del avión.
Las aletas estabilizadoras triangulares para cohetes fueron descritas ya entre 1529 y 1556 por el ingeniero militar austríaco Conrad Haas y en el siglo XVII por el ingeniero militar polaco-lituano Kazimierz Siemienowicz . [12] [13] [14] Sin embargo, una verdadera ala sustentadora en forma de delta no apareció hasta 1867, cuando fue patentada por J. W. Butler y E. Edwards en un diseño para un aeroplano propulsado por cohete de baja relación de aspecto y forma de dardo. A esto le siguieron varias propuestas similares en forma de dardo, como una versión biplana de Butler y Edwards, y una versión propulsada por chorro del ruso Nicholas de Telescheff. [15] En 1909, el escultor español Ricardo Causarás experimentó con una variante con un plano delantero canard . [16] [17]
También en 1909, el pionero aeronáutico británico JW Dunne patentó su avión estable sin cola con desarrollo de ala cónica. La patente incluía un delta bicónico de amplia envergadura, con cada lado abultado hacia arriba en dirección a la parte trasera de una manera característica del ala Rogallo moderna . [18] Durante el año siguiente, en Estados Unidos, UG Lee y WA Darrah patentaron un avión de ala delta bicónica similar con un ala explícitamente rígida. También incorporaba una propuesta para un sistema de control de vuelo y cubría tanto el vuelo planeado como el vuelo propulsado. [19] [20] No se sabe que ninguno de estos primeros diseños haya volado con éxito, aunque, en 1904, el ala delta de Lavezzani con alas triangulares izquierda y derecha independientes había despegado del suelo, y otros diseños en flecha sin cola de Dunne basados en el mismo principio sí volaron. [19]
El ala delta práctica fue ideada por el diseñador aeronáutico alemán Alexander Lippisch en la década de 1930, utilizando un ala en voladizo gruesa sin cola. Sus primeros diseños de este tipo, para los que acuñó el nombre "Delta", utilizaban un ángulo muy suave de modo que el ala pareciera casi recta y las puntas de las alas debían ser recortadas de forma pronunciada (véase más abajo). Su primer delta de este tipo voló en 1931, seguido de cuatro ejemplos mejorados sucesivamente. [21] [22] Estos prototipos no eran fáciles de manejar a baja velocidad y ninguno tuvo un uso generalizado. [23] [24]
Durante los últimos años de la Segunda Guerra Mundial , Alexander Lippisch refinó sus ideas sobre el delta de alta velocidad, aumentando sustancialmente el flechado del borde de ataque del ala. Se construyó un planeador experimental, el DM-1 , para probar la aerodinámica del interceptor de alta velocidad propuesto, el P.13a . [25] Tras el final de las hostilidades, el DM-1 se completó en nombre de los Estados Unidos y se envió a Langley Field en Virginia para su examen por parte de la NACA (Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, precursor de la NASA actual ). Sufrió importantes alteraciones en los EE. UU., generalmente para reducir su resistencia, lo que resultó en el reemplazo de su gran estabilizador vertical por uno más pequeño y convencional, junto con una cubierta de cabina normal tomada de un Lockheed P-80 Shooting Star . [26]
El trabajo del diseñador francés Nicolas Roland Payen fue en cierta medida paralelo al de Lippisch. Durante la década de 1930, había desarrollado una configuración delta en tándem con un ala delantera recta y un ala trasera delta pronunciada, similar a la del Causarás. El estallido de la Segunda Guerra Mundial detuvo las pruebas de vuelo del Pa-22 , aunque el trabajo continuó durante un tiempo después de que el proyecto atrajera la atención alemana. [27] Durante la era de posguerra , Payen voló un avión a reacción delta sin cola experimental, el Pa.49 , en 1954, así como la serie Arbalète con configuración de propulsor sin cola a partir de 1965. Se propusieron más derivados basados en el trabajo de Payen, pero finalmente no se desarrollaron. [28] [29]
Después de la guerra, los británicos desarrollaron una serie de aviones a reacción subsónicos que aprovechaban los datos recopilados del trabajo de Lippisch. Uno de estos aviones, el avión de investigación Avro 707 , realizó su primer vuelo en 1949. [30] Los aviones militares británicos como el Avro Vulcan (un bombardero estratégico ) y el Gloster Javelin (un caza para todo clima) estuvieron entre los primeros aviones equipados con delta en entrar en producción. Mientras que el Vulcan era un diseño clásico sin cola, el Javelin incorporó un plano de cola para mejorar el manejo a baja velocidad y la maniobrabilidad a alta velocidad, así como para permitir un mayor rango de centro de gravedad . [31] Gloster propuso un refinamiento del Javelin que, entre otros cambios, habría reducido el grosor del ala para alcanzar velocidades supersónicas de hasta Mach 1,6. [32]
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El aerodinamista estadounidense Robert T. Jones , que trabajó en la NACA durante la Segunda Guerra Mundial, desarrolló la teoría del ala delta delgada para el vuelo supersónico. Publicada por primera vez en enero de 1945, su enfoque contrastaba con el de Lippisch sobre las alas delta gruesas. El ala delta delgada voló por primera vez en el Convair XF-92 en 1948, convirtiéndose en el primer avión a reacción con ala delta en volar. [33] Proporcionó una base exitosa para todos los deltas supersónicos prácticos y la configuración fue ampliamente adoptada. [34] [35]
A finales de los años 1940, el fabricante de aviones británico Fairey Aviation se interesó en el ala delta, [36] sus propuestas llevaron a que se produjera el Fairey Delta 1 experimental según la especificación E.10/47 del Ministerio del Aire . [37] Un avión experimental posterior, el Fairey Delta 2, estableció un nuevo récord mundial de velocidad aérea el 10 de marzo de 1956, alcanzando 1.132 mph (1.811 km/h) o Mach 1,73. [38] [39] [40] [41] Esto elevó el récord por encima de las 1.000 mph por primera vez y rompió el récord anterior en 310 mph, o el 37 por ciento; nunca antes el récord se había batido por un margen tan grande. [39] [42]
En su forma original sin cola, el delta delgado fue utilizado ampliamente por la compañía de aviación estadounidense Convair y por el fabricante de aviones francés Dassault Aviation . El supersónico Convair F-102 Delta Dagger y el transónico Douglas F4D Skyray fueron dos de los primeros aviones de combate a reacción operativos en contar con un ala delta sin cola cuando entraron en servicio en 1956. [43] El interés de Dassault en el ala delta produjo la familia de aviones de combate Dassault Mirage , especialmente el exitoso Mirage III . Entre otros atributos, el Mirage III fue el primer avión de combate de Europa occidental en superar Mach 2 en vuelo horizontal. [44]
La configuración delta con cola fue adoptada por el TsAGI (Instituto Central de Aerodinámica e Hidrodinámica, Moscú ) para mejorar el manejo con ángulos de ataque elevados , la maniobrabilidad y el alcance del centro de gravedad en comparación con una configuración en delta pura. El Mikoyan-Gurevich MiG-21 ("Fishbed") se convirtió en el avión de combate más construido en la década de 1970. [45]
Durante la década de 1960, el fabricante de aviones sueco Saab AB desarrolló una configuración delta canard de acoplamiento cerrado, colocando un plano delantero en delta justo delante y por encima del ala delta principal. [46] Patentada en 1963, esta configuración se utilizó por primera vez en el avión de combate Viggen de la compañía en 1967. El acoplamiento cerrado modifica el flujo de aire sobre el ala, sobre todo cuando se vuela en ángulos de ataque altos. A diferencia de los elevadores clásicos montados en la cola, los canards aumentan la sustentación total y estabilizan el flujo de aire sobre el ala principal. Esto permite maniobras más extremas, mejora el manejo a baja velocidad y reduce la carrera de despegue y la velocidad de aterrizaje. Durante la década de 1960, esta configuración se consideró radical, pero el equipo de diseño de Saab juzgó que era el enfoque óptimo disponible para satisfacer las conflictivas demandas de rendimiento del Viggen, que incluían un rendimiento STOL favorable , velocidad supersónica, baja sensibilidad a la turbulencia durante el vuelo a bajo nivel y una sustentación eficiente para el vuelo subsónico. [47] [48]
Desde entonces, el canard acoplado de forma cerrada se ha vuelto común en los aviones de combate supersónicos. Entre los ejemplos notables se incluyen el Eurofighter Typhoon multinacional, el Dassault Rafale de Francia , el Gripen de Saab (un sucesor del Viggen) y el IAI Kfir de Israel . Una de las principales razones de su popularidad ha sido el alto nivel de agilidad en las maniobras del que es capaz. [49] [50]
Cuando se desarrollaron los aviones de transporte supersónico (SST), se eligió el ala delta ojival sin cola tanto para el anglo-francés Concorde como para el soviético Tupolev Tu-144 , el Tupolev que voló por primera vez en 1968. Si bien tanto el Concorde como el prototipo Tu-144 presentaban una configuración delta ojival , los modelos de producción del Tu-144 se diferenciaban al cambiar a un ala delta doble . [51] Las alas delta requerían que estos aviones de pasajeros adoptaran un ángulo de ataque más alto a bajas velocidades que los aviones convencionales; en el caso del Concorde, la sustentación se mantenía permitiendo la formación de grandes vórtices de baja presión sobre toda la superficie superior del ala. [52] Su velocidad de aterrizaje típica era de 170 millas por hora (274 km/h), considerablemente más alta que los aviones de pasajeros subsónicos. [53] Se informa que varios sucesores propuestos, como el Zero Emission Hyper Sonic Transport (ZEHST), han adoptado una configuración similar al diseño básico del Concorde, por lo que el ala Delta sigue siendo un candidato probable para futuros esfuerzos civiles supersónicos. [54]
Durante y después de la Segunda Guerra Mundial, Francis y Gertrude Rogallo desarrollaron la idea de un ala flexible que pudiera plegarse para almacenarse. Francis vio una aplicación en la recuperación de naves espaciales y la NASA se interesó. En 1961, Ryan voló el XV-8 , un "jeep volador" o "fleep" experimental. El ala flexible elegida para ello era un delta y, en uso, se expandía hasta formar un perfil de doble cono que le daba estabilidad aerodinámica. Aunque se probó pero finalmente nunca se usó para la recuperación de naves espaciales, este diseño pronto se hizo popular para ala delta y aviones ultraligeros y se lo conoce como el ala Rogallo.
Lippisch.
[Lippisch Delta I y Horten HI] En ambos aviones se muestra cómo no hacerlo.
