Un ala en flecha es un ala inclinada hacia atrás o ocasionalmente hacia adelante desde su raíz en lugar de perpendicular al fuselaje.
Se han volado alas en flecha desde los días pioneros de la aviación. El barrido del ala a altas velocidades fue investigado por primera vez en Alemania en 1935 por Albert Betz y Adolph Busemann , encontrando aplicación justo antes del final de la Segunda Guerra Mundial . Tiene el efecto de retrasar las ondas de choque y el consiguiente aumento de la resistencia aerodinámica causado por la compresibilidad del fluido cerca de la velocidad del sonido , mejorando el rendimiento. Por lo tanto, casi siempre se utilizan alas en flecha en aviones a reacción diseñados para volar a estas velocidades.
El término "ala en flecha" se usa normalmente para significar "barrida hacia atrás", pero las variantes incluyen alas de barrido hacia adelante , alas de barrido variable y alas oblicuas en las que un lado se mueve hacia adelante 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. disponer el centro de gravedad del avión 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 es un ala en flecha, los paneles del ala del exterior de las góndolas del Douglas DC-1 también tenían un ligero retroceso por razones similares. [2]
2. para proporcionar estabilidad longitudinal a aviones 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 de negocios.
Otras razones incluyen:
1. permitir una posición de caja de transporte en el ala para lograr el tamaño de cabina deseado, por ejemplo, HFB 320 Hansa Jet .
2. proporcionar un alivio aeroelástico estático que reduce los momentos de flexión bajo cargas g elevadas y puede permitir una estructura de ala más ligera. [3]
Para un ala de determinada envergadura, barrerla aumenta la longitud de los largueros que la recorren desde la raíz hasta la punta. Esto tiende a aumentar el peso y reducir la rigidez. Si la cuerda longitudinal del ala también permanece igual, la distancia entre los bordes delantero y trasero se reduce, reduciendo 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 no en flecha.
Un ala en flecha normalmente se inclina hacia atrás desde su raíz en lugar de hacia adelante. Debido a que las alas se fabrican 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 barrido hacia atrás hace que las puntas reduzcan su ángulo de ataque a medida que se doblan, lo que reduce su elevación y limita el efecto. El barrido hacia adelante hace que las puntas aumenten su ángulo de ataque a medida que se doblan. Esto aumenta su sustentación, lo que provoca una mayor flexión y, por lo tanto, aún más sustentación en un ciclo, lo que puede causar una falla estructural descontrolada. Por esta razón el barrido hacia adelante es raro y el ala debe ser inusualmente rígida.
Hay dos ángulos de barrido importantes, uno en el borde de ataque para aviones supersónicos y el otro al 25% del camino de regreso desde el borde de ataque para aviones subsónicos y transónicos. El barrido del borde de ataque es importante porque el borde de ataque tiene que estar detrás del cono de mach para reducir la resistencia de las olas. [4] La línea de cuarto de cuerda (25%) se utiliza porque allí actúa la sustentación subsónica debida al ángulo de ataque y, hasta la introducción de las secciones supercríticas, la cresta solía estar 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.
Se pueden formar ondas de choque en algunas partes de un avión que se mueve a menos de la velocidad del sonido. Las regiones de baja presión alrededor de una aeronave hacen que el flujo se acelere y, a velocidades transónicas, esta aceleración local puede exceder Mach 1. El flujo supersónico localizado debe regresar a las condiciones de corriente libre alrededor del resto de la aeronave 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 cuando el aire se ve obligado a desacelerar rápidamente y volver a la presión ambiental.
En el punto en el que la densidad disminuye, la velocidad local del sonido disminuye 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 máximo espesor/cuerda y por la que todos los aviones diseñados para volar 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 de flujo minimizado. al aire de la superficie superior. El cambio angular del aire que normalmente forma parte de la generación de sustentación disminuye y esta reducción de sustentación se compensa con superficies inferiores curvadas más profundas 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 crítico de Mach.
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 tanto, los shocks se consideran una forma de resistencia . Dado que los choques se forman cuando la velocidad del aire local alcanza velocidades supersónicas, existe una cierta velocidad de " mach crítica " donde el flujo sónico aparece por primera vez en el ala. Hay un siguiente punto llamado número de Mach de divergencia de resistencia donde el efecto de la resistencia de los choques se vuelve notable. Normalmente, esto es cuando los impactos comienzan a generarse sobre el ala, que en la mayoría de los aviones es la superficie continuamente curvada 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 visto desde el flujo de aire, por el coseno del ángulo de barrido. Por ejemplo, un ala con un barrido de 45 grados verá una reducción en la curvatura efectiva a 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 grandes áreas del avión, como las alas y el empenaje , permite que el avión alcance velocidades 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 moverán en un ángulo continuo de punta a punta. Sin embargo, si las mitades izquierda y derecha se desplazan hacia atrás por igual, como es la práctica común, las isobaras de presión en el 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 acerquen a la línea central, de modo que las isobaras crucen la línea central en ángulo recto con respecto a la línea central. Esto provoca un "desbarrido" de las isobaras en la región de la raíz del ala. Para combatir esta falta de barrido, el aerodinámico alemán Dietrich Küchemann propuso y probó una hendidura local en el fuselaje por encima y por debajo de la raíz del ala. Esto resultó no ser muy efectivo. [7] Durante el desarrollo del avión de pasajeros Douglas DC-8 , se utilizaron perfiles aerodinámicos sin curvar en el área de la raíz del ala para combatir el desbarrido. [8] [9]
Las alas en flecha de los aviones supersónicos generalmente se encuentran dentro de la onda de choque en forma de cono producida en la nariz del avión, por lo que "verán" el flujo de aire subsónico y funcionarán como alas subsónicas. El ángulo necesario para situarse detrás del cono aumenta al aumentar la velocidad; a Mach 1,3 el ángulo es de unos 45 grados, a Mach 2,0 es de 60 grados. [10] El ángulo del cono de Mach formado a partir del cuerpo de la aeronave será aproximadamente sin μ = 1/M (μ es el ángulo de barrido del cono de Mach) [11]
Cuando un ala en flecha viaja 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 tiene tiempo de reaccionar y es empujado en sentido amplio por el borde de ataque en ángulo, hacia la punta del ala. En la raíz del ala, junto al fuselaje, esto tiene un efecto poco perceptible, pero a medida que uno se mueve hacia la punta del ala, el flujo de aire es empujado en sentido transversal no sólo por el borde de ataque, sino también por el aire que se mueve 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 sentido transversal .
La sustentación de un ala se genera por el flujo de aire que pasa sobre ella de adelante hacia atrás. Al aumentar el flujo a lo largo de la envergadura, las capas límite en la superficie del ala tienen más tiempo para viajar, por lo que son más gruesas y más susceptibles a la transición a la turbulencia o 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 de las alas reduciendo su efectividad. El flujo en sentido transversal en las alas en flecha produce un flujo de aire que mueve el punto de estancamiento en el borde de ataque de cualquier segmento de ala individual más por debajo del borde de ataque, aumentando el ángulo de ataque efectivo de los segmentos de 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 barridas hacia atrás, ya que las puntas están más hacia atrás, mientras que retrasa la pérdida de la punta en las alas barridas hacia adelante, donde las puntas están hacia adelante. Con alas tanto hacia adelante como hacia atrás, la parte trasera del ala se detendrá primero creando un momento de morro arriba en el avión. Si el piloto no lo corrige, el avión se inclinará hacia arriba, lo que provocará que el ala se entre en pérdida y se incline más de manera divergente. Esta inestabilidad incontrolable llegó a ser conocida como la danza Sabre en referencia a la cantidad de F-100 Super Sabres norteamericanos que se estrellaron al aterrizar como resultado. [12] [13]
La reducción del cabeceo a 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 la dirección de la corriente. El MiG-15 fue un ejemplo de avión equipado con vallas en las alas. [14] Otro diseño estrechamente relacionado fue la adición de una muesca en forma de diente de perro al borde de ataque, utilizada en el interceptor Avro Arrow . [15] Otros diseños adoptaron un enfoque más radical, incluido el ala del Republic XF-91 Thunderceptor que se ensanchó 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 listones de vanguardia y grandes flaps compuestos 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 sirve para agregar sustentación durante el aterrizaje y reducir el problema. [21] [22]
Además del cabeceo, existen otras complicaciones inherentes a una configuración de ala en flecha. Para cualquier longitud de ala, la envergadura real de punta a punta es más corta que la del mismo ala que no está barrida. Existe una fuerte correlación entre la resistencia a baja velocidad y la relación de aspecto , la envergadura en comparación con la cuerda, por lo que un ala en flecha siempre tiene más resistencia a velocidades más bajas. Además, el ala aplica un par adicional al fuselaje que debe tenerse en cuenta al establecer la transferencia de cargas del ala al fuselaje. Esto se debe a que la parte importante de la sustentación del ala se encuentra detrás del tramo de fijación donde el ala se encuentra con el fuselaje.
La teoría del barrido es una descripción de ingeniería aeronáutica del comportamiento del flujo de aire sobre un ala cuando el borde de ataque del ala encuentra el flujo de aire en un ángulo oblicuo. El desarrollo de la teoría del barrido 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 barrido 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 del barrido en general fue un tema de desarrollo e investigación a lo largo de las décadas de 1930 y 1940, pero la innovadora definición matemática de la teoría del barrido generalmente se atribuye a Robert T. Jones de la NACA en 1945. La teoría del barrido se basa en otras teorías de elevación de alas. . 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 de un ala en flecha, pero no tiene la capacidad de incluir la distribución de la presión en el sentido de las cuerdas. Existen otros métodos que describen distribuciones en sentido de cuerda, pero tienen otras limitaciones. La teoría del barrido de Jones proporciona un análisis simple y completo del desempeño 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, cuerda y espesor uniformes y se coloca en una corriente de aire en un ángulo de guiñada, es decir, se barre 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 un choque de retroceso (barrido en el mismo ángulo que el ala), es decir, "Sería un choque oblicuo. Tal choque oblicuo no puede formarse hasta que el componente de velocidad normal a él se vuelva supersónico". [24]
Para visualizar el concepto básico de la teoría del barrido simple, considere un ala recta, no barrida, de longitud infinita, que se encuentra con el flujo de aire en un ángulo perpendicular. La distribución de presión del 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 hacia los lados (en el sentido de la envergadura), el movimiento lateral del ala con respecto al aire se agregaría al flujo de aire previamente perpendicular, lo que resultaría en un flujo de aire sobre el ala en ángulo con el borde de ataque. Este ángulo da como resultado que el flujo de aire recorra una distancia mayor desde el borde de ataque al borde de salida y, por lo tanto, la presión del aire se distribuye a lo largo de 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 viaja por el aire. El flujo de aire sobre un ala en flecha encuentra el ala en ángulo. Ese ángulo se puede dividir en dos vectores, uno perpendicular al ala y otro paralelo al ala. 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, en consecuencia ejerce menos presión sobre el ala. En otras palabras, el ala experimenta un flujo de aire más lento (y a presiones más bajas) que la velocidad real del avión.
Uno de los factores que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un ala de alta velocidad es la compresibilidad , que es el efecto que actúa sobre un ala cuando se acerca y atraviesa la velocidad del sonido . Los importantes efectos negativos de la compresibilidad la convirtieron en un tema primordial para los ingenieros aeronáuticos. La teoría del barrido ayuda a mitigar los efectos de la compresibilidad en aviones transónicos y supersónicos debido a las presiones reducidas. Esto permite que el número de Mach de un avión sea mayor que el que realmente experimenta el ala.
También hay un aspecto negativo en la teoría del barrido. La sustentación producida por un ala está directamente relacionada con la velocidad del aire sobre el ala. Dado que la velocidad del flujo de aire experimentada por 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 ala de incidencia variable en el Vought F-8 Crusader , [25] y alas oscilantes en aviones como el F-14 , F-111 y el Panavia Tornado . [26] [27]
El término "ala en barrido" se usa normalmente para significar "barrido hacia atrás", pero otras variantes de barrido incluyen barrido hacia adelante , alas de barrido variable y alas oblicuas en las que un lado se mueve hacia adelante y el otro hacia atrás. El ala delta también incorpora las mismas ventajas como parte de su diseño.
Girar un ala hacia adelante tiene aproximadamente el mismo efecto que hacia atrás en términos de reducción de la resistencia, pero tiene otras ventajas en términos de manejo a baja velocidad donde los problemas de pérdida de inclinación simplemente desaparecen. En este caso, el aire a baja velocidad fluye hacia el fuselaje, que actúa como una valla de ala muy grande. Además, las alas son generalmente más grandes en la raíz, lo que les permite tener una mejor sustentación a baja velocidad.
Sin embargo, esta disposición también presenta serios problemas de estabilidad. La sección más trasera del ala entrará en pérdida primero, lo que provocará un momento de cabeceo que empujará al avión aún más hacia la pérdida, 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 en último lugar, manteniendo el control del balanceo.
Las alas barridas hacia adelante también pueden experimentar efectos de flexión peligrosos en comparación con las alas barridas hacia atrás que pueden anular la ventaja de pérdida en la punta si el ala no es lo suficientemente rígida. En los diseños barridos 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 gira el borde de ataque hacia abajo). Esto reduce el ángulo de ataque en la punta, reduciendo así el momento de flexión en el ala, además de reducir un poco la posibilidad de pérdida en la punta. [28] Sin embargo, el mismo efecto en las alas barridas hacia adelante produce un efecto de lavado que aumenta el ángulo de ataque promoviendo la pérdida en la punta.
Pequeñas cantidades de barrido no causan problemas graves y se han utilizado en una variedad de aviones para mover el mástil a una ubicación conveniente, como en el Junkers Ju 287 o el HFB 320 Hansa Jet . [29] [30] Sin embargo, un barrido más amplio adecuado para aviones de alta velocidad, como los cazas, era generalmente imposible hasta la introducción de sistemas de vuelo por cable 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 mejorar la maniobrabilidad durante la década de 1980. [31] [32] El Sukhoi Su-47 Berkut es otro avión demostrador notable que implementa esta tecnología para lograr altos niveles de agilidad. [33] Hasta la fecha, no ha entrado en producción ningún diseño muy avanzado.
Los primeros aviones exitosos se adhirieron al diseño básico de alas rectangulares en ángulo recto con el cuerpo de la máquina. Un diseño así es inherentemente inestable; Si la distribución del peso de la aeronave cambia aunque sea ligeramente, el ala querrá girar para 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 estabilizar un avión, la solución normal es colocar el peso en un extremo y compensarlo con una fuerza descendente opuesta en el otro; esto lleva al diseño clásico con el motor al frente y las superficies de control al final de un largo boom con el ala en el medio. Se sabe desde hace mucho tiempo que este diseño es ineficiente. La fuerza hacia abajo de las superficies de control necesita más elevación del ala para compensarse. La cantidad de fuerza se puede disminuir aumentando la longitud de la pluma, pero esto genera más fricción superficial y peso de la propia pluma.
Este problema llevó a muchos experimentos con diferentes diseños que eliminan la necesidad de aplicar fuerza hacia abajo. Una de esas geometrías de ala apareció antes de la Primera Guerra Mundial , lo que condujo a los primeros diseños de alas en flecha. En este diseño, el ala está curvada de modo que algunas partes queden muy por delante y por detrás del centro de gravedad (CoG), con las superficies de control detrás. El resultado es una distribución de peso similar al diseño clásico, pero la fuerza de control compensada 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 con alas volantes y algunos aviones propulsados durante los años de entreguerras. [34]
El primero en lograr la estabilidad fue el diseñador británico JW Dunne , quien estaba obsesionado con lograr la estabilidad inherente en vuelo. Empleó con éxito alas en flecha en su avión sin cola (que, de manera crucial, utilizó lavado ) como un medio para crear estabilidad estática longitudinal positiva . [35] Para un avión de baja velocidad, las alas en flecha se pueden usar 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 exitosas variantes motorizadas 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 luego la idea fue retomada por GTR Hill en Inglaterra, quien diseñó una serie de planeadores y aviones según las pautas 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 vuelos supersónicos . 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 ángulo, la velocidad de avance a la que se formarían las ondas de choque sería mayor (lo mismo se había observado por Max Munk en 1924, aunque no en el contexto de vuelos de 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 de caza clásico de los años 50, con alas en flecha y superficies de cola, aunque también esbozó una hélice en flecha que lo impulsaba. [40]
En ese momento, sin embargo, no había manera de propulsar un avión a este tipo de velocidades, e incluso los aviones más rápidos de la época sólo se acercaban a los 400 km/h (249 mph). La presentación fue en gran medida de interés académico, y pronto olvidado. Incluso los asistentes notables, incluidos Theodore von Kármán y Eastman Jacobs, no recordaron la presentación 10 años después, cuando se les volvió a presentar. [42]
Hubert Ludwieg, del Departamento de Aerodinámica de Alta Velocidad de la AVA Göttingen, realizó en 1939 las primeras pruebas en un túnel de viento para investigar la teoría de Busemann. [7] Se probaron dos alas, una sin barrido y otra con 45 grados de barrido, con 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 que ofrecen las alas en flecha a velocidades transónicas. [7] Los resultados de las pruebas fueron comunicados 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 barrido y números de Mach tan altos como 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, propulsado por un jet alemán, y el Messerschmitt Me 163, propulsado por cohetes, sufrieron efectos de compresibilidad que hicieron que ambos aviones fueran muy difíciles de controlar a altas velocidades. Además, las velocidades los colocaban 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 dio lugar a un programa intensivo 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, sólo unas semanas antes de que terminara la guerra se recibió un pedido de tres prototipos y nunca se construyó ningún ejemplar. [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 en el IAe Pulqui II , pero 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 estaba 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 construidos 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 los vuelos supersónicos contrastaba fuertemente con las opiniones predominantes de los expertos aliados de la época, quienes comúnmente abrazaban su creencia en la imposibilidad de que los vehículos tripulados viajaran a tales velocidades. [48]
Durante la era inmediata de la posguerra, varias naciones estaban realizando investigaciones sobre aviones de alta velocidad. En el Reino Unido, durante 1943 se comenzó a trabajar en el Miles M.52 , un avión experimental de alta velocidad equipado con un ala recta que fue desarrollado en conjunto con la compañía Power Jets de Frank Whittle , el Royal Aircraft Establishment (RAE) en Farnborough . , y el Laboratorio Nacional de Física . [49] Se concibió que el M.52 sería capaz de alcanzar 1.000 millas por hora (1.600 km/h) en vuelo nivelado, lo que permitiría que el avión fuera potencialmente el primero en superar la velocidad del sonido en el mundo. [49] En febrero de 1946, el programa se suspendió abruptamente por razones poco claras. [50] Desde entonces se ha reconocido ampliamente que la cancelación del M.52 fue un revés importante en el progreso británico en el campo del diseño supersónico. [34]
Otro programa más exitoso fue el Bell X-1 de Estados Unidos , que también estaba equipado con un ala recta. Según Dennis Bancroft, jefe de aerodinámica de Miles, 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 la bahía de bombas de un Boeing B-29 Superfortress y alcanzado un récord. velocidad de Mach 1,06 (700 millas por hora (1100 km / h; 610 nudos)). [34] La noticia del éxito de un avión supersónico de ala recta sorprendió a muchos expertos aeronáuticos de ambos lados del Atlántico, ya que se creía cada vez más que un diseño de ala en flecha no sólo 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 del mundo. Una de las primeras consideraciones de diseño fue si se debía aplicar la nueva configuración de ala en flecha. [52] Por lo tanto, la empresa desarrolló un avión experimental para explorar la tecnología, el de Havilland DH 108 , en 1944, dirigida por el ingeniero de proyectos John Carver Meadows Frost con un equipo de 8 a 10 delineantes 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 británico de ala en flecha, conocido extraoficialmente como "Swallow". [53] Voló por primera vez el 15 de mayo de 1946, apenas ocho meses después de la aprobación del proyecto. El piloto de pruebas de la compañía e hijo del constructor, Geoffrey de Havilland Jr. , voló el primero de 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 con 973,65 km/h (605 mph); posteriormente se convirtió en el primer avión a reacción en superar la velocidad del sonido. [54]
Alrededor de este mismo período, 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 Royal Air Force (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 los pedidos se colocaran "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 del aire 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 observar las alas delta muy barridas y las formas de V, y descubrió los mismos efectos que Busemann. Terminó un informe detallado sobre el concepto en abril, pero descubrió que su trabajo fue fuertemente criticado por otros miembros de NACA Langley , en particular Theodore Theodorsen, quien se refirió a él como "hocus-pocus" y exigió algunas "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 finales de mayo y mostraban una disminución cuatro veces mayor de 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 se había difundido.
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. Uno de los miembros del equipo estadounidense era George S. Schairer , que en aquel momento trabajaba en la empresa Boeing. Inmediatamente envió una carta a Ben Cohn de Boeing, comunicándole el valor del concepto de ala en flecha. [60] [61] También le dijo a Cohn que distribuyera la carta a otras compañías, aunque solo Boeing y North American hicieron uso inmediato de ella. [ cita necesaria ]
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 realizado por el ingeniero de Boeing, Vic Ganzer, sugirió un ángulo de retroceso óptimo de unos 35 grados. [62] En septiembre de 1945, los datos de Braunschweig se habían incorporado al diseño, que resurgió como el Modelo 448, un diseño más grande de seis motores con alas más robustas con un barrido de 35 grados. [40] Otra revisión movió los motores a cápsulas montadas en puntales debajo de las alas debido a la preocupación de que una falla incontenida de un motor interno podría destruir la aeronave mediante fuego o vibración. [63] El B-47 resultante fue aclamado como el más rápido de su clase en el mundo a finales de la década de 1940, [64] y derrotó a la competencia de alas rectas. Desde entonces, la fórmula de transporte a reacción de Boeing con alas en flecha y motores montados en pilones ha sido adoptada universalmente. [ cita necesaria ]
En el ámbito de los cazas, North American Aviation estaba trabajando en un caza naval propulsado por un jet de ala recta, entonces conocido como FJ-1 ; Posteriormente fue enviado a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos como XP-86 . [65] Larry Green, que sabía leer alemán, estudió los informes Busemann y convenció a la gerencia para que permitiera 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 a entrar en combate, mientras que los aviones 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 procedentes de aviones de alas rectas. [69] [70] Los aviones posteriores, como el F-100 Super Sabre norteamericano , 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 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 todo 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 con diseño de canard de empuje MiG-8 Utka , volado a finales de 1945, con su extremo trasero ubicado hacia atrás. Se están dando alas a 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 1.075 km/h (668 mph) superó a los aviones a reacción estadounidenses de alas rectas y a los cazas con motor de pistón desplegados inicialmente durante la Guerra de Corea. Guerra . [73] Se cree que el MiG-15 fue uno de los aviones a reacción más producidos ; finalmente se fabricarían más de 13.000. [74]
El MiG-15, que no podía superar con seguridad Mach 0,92, sirvió de 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, denominado MiG-19 , presentaba un ala relativamente delgada adecuada para vuelos supersónicos que fue diseñada en TsAGI, el Instituto Aerohidrodinámico Central Soviético ; Barrida hacia atrás en un ángulo de 55 grados, esta ala presentaba una valla de una sola ala a cada lado. [77] Una variante especializada en gran altitud, el Mig-19SV, presentaba, entre otros cambios, un flap ajustable para generar una mayor sustentación en altitudes más altas, lo que ayudaba a aumentar el techo del avión de 17.500 m (57.400 pies) a 18.500 m (60.700 pies). pie). [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 finales 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 empresa 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 avión occidental. Se presentará un caza europeo con dicha configuración de alas. [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 se encontraba en una inmersión poco profunda, 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 sobre alas en flecha adquirida en Alemania. Con el tiempo, casi todos los esfuerzos de diseño avanzado para aviones de alta velocidad incorporarían un ala con un borde de ataque en flecha, ya sea con forma en planta de ala en flecha o de ala delta . El Boeing B-52, diseñado en la década de 1950, continúa en servicio como 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 un jet de 920 km/h, combinando barrido alas con propulsión por hélice, también permanece en servicio hoy en día, siendo el avión de producción propulsado por 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, utilizaban alas largas y muy en flecha. Las alas en flecha alcanzarían Mach 2 en el BAC Lightning y en el Republic F-105 Thunderchief , construidos para operar a bajo nivel y muy alta velocidad principalmente para ataques nucleares, pero con una capacidad secundaria aire-aire. [93] A finales de la década de 1960, el McDonnell F-4 Phantom II fue utilizado en grandes cantidades por fuerzas aéreas influenciadas por los Estados Unidos. Se emplearon alas de geometría variable en el F-111 estadounidense , el Grumman F-14 Tomcat y el Mikoyan MiG-27 soviético , aunque la idea se abandonaría 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 un área alar relativamente grande. [ cita necesaria ]
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