La regla del área de Whitcomb , llamada así por el ingeniero de la NACA Richard Whitcomb y también llamada regla del área transónica , es un procedimiento de diseño utilizado para reducir la resistencia aerodinámica de una aeronave a velocidades transónicas que se producen entre aproximadamente Mach 0,75 y 1,2. Para velocidades supersónicas se utiliza un procedimiento diferente llamado regla del área supersónica , desarrollado por el aerodinámico de la NACA Robert Jones .
La aceleración transónica es uno de los rangos de velocidad más importantes para las aeronaves comerciales y militares de ala fija en la actualidad, siendo la aceleración transónica un requisito de rendimiento importante para las aeronaves de combate y que se mejora mediante reducciones en la resistencia transónica.
A velocidades de vuelo subsónicas altas, la velocidad local del flujo de aire puede alcanzar la velocidad del sonido, donde el flujo se acelera alrededor del cuerpo y las alas de la aeronave . La velocidad a la que se produce este desarrollo varía de una aeronave a otra y se conoce como el número crítico de Mach . Las ondas de choque resultantes que se forman en estas zonas de flujo sónico causan un aumento repentino de la resistencia , llamada resistencia de onda . Para reducir la cantidad y la fuerza de estas ondas de choque, una forma aerodinámica debe cambiar en el área de la sección transversal lo más suavemente posible de adelante hacia atrás.
La regla del área dice que dos aviones con la misma distribución de área de sección transversal longitudinal tienen la misma resistencia de onda, independientemente de cómo se distribuya el área lateralmente (es decir, en el fuselaje o en el ala). Además, para evitar la formación de fuertes ondas de choque, la forma externa del avión tiene que estar cuidadosamente dispuesta de modo que el área de la sección transversal cambie lo más suavemente posible desde el morro hasta la cola. En la ubicación del ala, el fuselaje se estrecha o se "entalla". Es posible que sea necesario reducir el área de la sección transversal del fuselaje aplanando los lados del fuselaje debajo de una cubierta de burbuja y en las superficies de la cola para compensar su presencia, ambas cosas se hicieron en el Hawker Siddeley Buccaneer . [1]
Una regla de área diferente, conocida como la regla de área supersónica, desarrollada por el aerodinámico de la NACA Robert Jones en "Teoría de la resistencia aerodinámica del cuerpo del ala a velocidades supersónicas", [2] es aplicable a velocidades superiores a la transónica, y en este caso, el requisito de área de la sección transversal se establece con relación al ángulo del cono de Mach para la velocidad de diseño. Por ejemplo, considere que a Mach 1,3 el ángulo del cono de Mach generado por el morro de la aeronave será un ángulo μ = arcsin(1/M) = 50,3° (donde μ es el ángulo del cono de Mach, también conocido como ángulo de Mach , y M es el número de Mach ). En este caso, la "forma perfecta" está sesgada hacia atrás; por lo tanto, las aeronaves diseñadas para una menor resistencia aerodinámica a velocidad supersónica suelen tener las alas hacia atrás. [2]
Un concepto superficialmente relacionado es el cuerpo de Sears-Haack , cuya forma permite un arrastre mínimo de las olas para una longitud y un volumen dados. Sin embargo, la forma del cuerpo de Sears-Haack se deriva a partir de la ecuación de Prandtl-Glauert, que gobierna aproximadamente los flujos subsónicos de pequeña perturbación, así como de la teoría de Ackeret, que describe de cerca el flujo supersónico. Ambos métodos pierden validez para los flujos transónicos donde se aplica la regla del área, debido a las suposiciones realizadas en sus derivaciones. Por lo tanto, aunque la forma del cuerpo de Sears-Haack, al ser suave, tendrá propiedades favorables de arrastre de las olas según la regla del área, no es teóricamente óptima. [3]
La regla de área fue descubierta por Otto Frenzl al comparar un ala en flecha con un ala en W con una resistencia de onda extremadamente alta [4] mientras trabajaba en un túnel de viento transónico en las instalaciones de Junkers en Alemania entre 1943 y 1945. Escribió una descripción el 17 de diciembre de 1943, con el título Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug ("Disposición de cuerpos de desplazamiento en vuelo de alta velocidad"); esto se utilizó en una patente presentada en 1944. [5] Los resultados de esta investigación fueron presentados a un amplio círculo en marzo de 1944 por Theodor Zobel en la Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Academia Alemana de Investigación Aeronáutica) en la conferencia "Fundamentalmente nuevas formas de aumentar el rendimiento de los aviones de alta velocidad". [6]
El diseño posterior de aviones alemanes en tiempos de guerra tuvo en cuenta el descubrimiento, evidente en el fuselaje medio delgado de aviones como el Messerschmitt P.1112 , P.1106 y el bombardero de largo alcance Focke-Wulf 1000x1000x1000 tipo A, pero también evidente en diseños de ala delta como el Henschel Hs 135. Varios otros investigadores estuvieron cerca de desarrollar una teoría similar, en particular Dietrich Küchemann , quien diseñó un caza cónico que fue apodado "Botella de Coca-Cola Küchemann" cuando fue descubierto por las fuerzas estadounidenses en 1946. En este caso, Küchemann llegó a la teoría estudiando el flujo de aire, en particular la interferencia, o líneas de corriente de flujo local, en la unión entre un fuselaje y un ala en flecha . El fuselaje fue contorneado, o entallado, para adaptarse al flujo. El requisito de forma de este enfoque de "campo cercano" también resultaría del enfoque de "campo lejano" posterior de Whitcomb para la reducción de la resistencia utilizando su regla del área sónica. [7]
Wallace D. Hayes , pionero del vuelo supersónico , desarrolló la regla del área transónica en publicaciones que comenzaron en 1947 con su tesis doctoral en el Instituto de Tecnología de California . [8]
Richard T. Whitcomb , que dio nombre a la regla, la descubrió de forma independiente en 1952, mientras trabajaba en el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA). Mientras utilizaba el nuevo túnel de alta velocidad de ocho pies, un túnel de viento con un rendimiento de hasta Mach 0,95 en el Centro de Investigación Langley de NACA , se sorprendió por el aumento de la resistencia debido a la formación de ondas de choque. Whitcomb se dio cuenta de que, para fines analíticos, un avión podía reducirse a un cuerpo aerodinámico de revolución, alargado tanto como fuera posible para mitigar las discontinuidades abruptas y, por lo tanto, el aumento igualmente abrupto de la resistencia. [9] Las ondas de choque se podían ver utilizando la fotografía de Schlieren , pero la razón por la que se creaban a velocidades muy inferiores a la velocidad del sonido, a veces tan bajas como Mach 0,70, seguía siendo un misterio.
A finales de 1951, el laboratorio acogió una charla de Adolf Busemann , un famoso aerodinámico alemán que se había trasladado a Langley después de la Segunda Guerra Mundial . Habló sobre el comportamiento del flujo de aire alrededor de un avión a medida que su velocidad se acercaba al número crítico de Mach, cuando el aire ya no se comportaba como un fluido incompresible. Mientras que los ingenieros estaban acostumbrados a pensar en el aire fluyendo suavemente alrededor del cuerpo del avión, a altas velocidades simplemente no tenía tiempo de "salir del camino", y en su lugar comenzó a fluir como si fueran tuberías rígidas de flujo, un concepto al que Busemann se refirió como "tuberías de corriente", en contraposición a líneas de corriente , y sugirió en broma que los ingenieros tenían que considerarse a sí mismos "instaladores de tuberías".
Varios días después, Whitcomb tuvo un momento de inspiración . La razón de la alta resistencia era que los "conductos" de aire interferían entre sí en tres dimensiones. Uno no tiene en cuenta simplemente el aire que fluye sobre una sección transversal 2D del avión como otros podían hacer en el pasado; ahora también tenían que considerar el aire a los "costados" del avión que también interactuaría con estos conductos de aire. Whitcomb se dio cuenta de que la forma tenía que aplicarse al avión en su conjunto , en lugar de sólo al fuselaje. Eso significaba que el área de sección transversal adicional de las alas y la cola tenía que tenerse en cuenta en la forma general, y que el fuselaje en realidad debería estrecharse en el punto de encuentro para que se ajustara más al ideal.
El primer avión en el que se aplicó consecuentemente la regla de área fue el bombardero de pruebas alemán Junkers Ju-287 (1944). [10] Otros diseños alemanes correspondientes no se completaron debido al final de la guerra o incluso permanecieron en la etapa de planificación.
Cuando Whitcomb redescubrió la regla del área, se puso a disposición de la industria aeronáutica estadounidense de forma secreta para programas militares a partir de 1952 [11] y se informó de su uso en 1957 para programas civiles. [12] Convair y Grumman, con la ayuda de Whitcomb, la utilizaron simultáneamente para diseñar el Grumman F-11 Tiger y para rediseñar el Convair F-102 . [13] El Grumman F-11 Tiger fue el primero de los dos aviones en volar y se había diseñado utilizando la regla del área desde el principio. [14] El Convair F-102 Delta Dagger tuvo que ser rediseñado ya que no había podido alcanzar Mach 1 aunque su velocidad de diseño era Mach 1,2. La expectativa de que alcanzaría la velocidad de diseño se había basado en predicciones optimistas de la resistencia aerodinámica en el túnel de viento. [15] [16] Las modificaciones que incluyeron la reducción del fuselaje junto a las alas y la adición de más volumen a la parte trasera del avión redujeron significativamente la resistencia transónica y se alcanzó la velocidad de diseño de Mach 1,2. La razón para utilizar la regla del área en estos aviones de combate fue reducir el valor máximo de la resistencia que se produce a Mach 1 y así permitir velocidades supersónicas con menos empuje del que hubiera sido necesario de otra manera.
En 1957, se introdujo una regla de área modificada para aumentar la velocidad de crucero subsónica de los aviones de transporte en 50 mph. [12] La velocidad de crucero está limitada por el aumento repentino de la resistencia aerodinámica, que indica la presencia de un flujo supersónico local en la parte superior del ala. La regla modificada de Whitcomb redujo la velocidad supersónica antes del choque, lo que la debilitó y redujo la resistencia aerodinámica asociada a ella. El Convair 990 tenía protuberancias llamadas cuerpos antichoque añadidas a la superficie superior del ala con la intención de lograr la velocidad de crucero requerida. Sin embargo, la distribución del área en los canales formados por las superficies de la góndola/pilón/ala también causaba velocidades supersónicas y era la fuente de una resistencia aerodinámica significativa. Se aplicó una técnica de regla de área, denominada regla de área de canal, para lograr la velocidad de crucero requerida.
Los diseñadores de Armstrong-Whitworth llevaron la regla del área sónica un paso más allá en su propuesta M-Wing, en la que el ala primero se inclinó hacia adelante y luego hacia atrás. Esto permitió que el fuselaje se estrechara tanto por delante como por detrás de la raíz, lo que dio como resultado un fuselaje más liso que se mantuvo más ancho en promedio que uno que usara un ala en flecha clásica.
La extensión detrás de la cubierta de vuelo del Rockwell B-1 Lancer y el Boeing 747 se agregó para mejorar la distribución del área de la sección transversal de acuerdo con la regla del área. [17]
Los aviones diseñados según la regla de área de Whitcomb (como el F-102 Delta Dagger y el Northrop F-5 ) parecían extraños cuando aparecieron por primera vez y a veces se los apodaba " botellas de Coca Cola voladoras ", pero esto se convirtió en una parte esperada de la apariencia de algunos aviones transónicos. Las indicaciones visualmente evidentes de que la regla de área ha definido la forma de un avión son el "encorvamiento" del fuselaje y la forma del tanque de punta como en el Northrop F-5 , y el adelgazamiento del fuselaje trasero en los jets comerciales con motores traseros como el Bombardier Global Express . La regla también requiere una colocación cuidadosa de las piezas, como los propulsores y el compartimento de carga en los cohetes y la forma y ubicación de la cabina en el F-22 Raptor .
La regla del área supersónica se aplicó a Mach 2 al prototipo Concorde . El fuselaje trasero se alargó 3,73 m en el avión de producción y redujo la resistencia de las olas en un 1,8 %. [18]
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