Un ala delta es un ala con forma de triángulo. Debe su nombre a su similitud en forma con la letra mayúscula griega delta (Δ).
Aunque se estudió durante mucho tiempo, no encontró aplicaciones significativas hasta la era del jet , cuando demostró ser adecuado para vuelos subsónicos y supersónicos de alta velocidad . En el otro extremo de la escala de velocidades, el ala flexible de Rogallo demostró ser un diseño práctico para el ala delta y otros aviones ultraligeros . La forma del ala delta tiene características aerodinámicas y ventajas estructurales únicas. Muchas variaciones de diseño han evolucionado a lo largo de los años, con y sin superficies estabilizadoras adicionales.
La larga cuerda de raíz del ala delta y el área exterior mínima la hacen estructuralmente eficiente. Se puede construir más fuerte, más rígida y al mismo tiempo más ligera que un ala en flecha con una relación de aspecto y una capacidad de elevación equivalentes . Debido a esto, su construcción es fácil y relativamente económica, un factor sustancial en el éxito de las series de aviones MiG-21 y Mirage . [ cita necesaria ]
Su larga cuerda de raíz también permite una estructura más profunda para una sección determinada del perfil aerodinámico . 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 a menudo se aprovecha la oportunidad de 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 presenta separación del flujo , junto con una alta resistencia asociada. [1]
Normalmente, esta separación del flujo conduce a una pérdida de sustentación conocida como pérdida . Sin embargo, en el caso de un ala delta con una marcada inclinación, cuando el aire se derrama alrededor del borde de ataque, fluye hacia adentro para generar un patrón de vórtice característico sobre la superficie superior. El extremo inferior de este vórtice permanece adherido a la superficie y también acelera el flujo de aire, manteniendo la sustentación. Para ángulos de barrido 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 doble curva conopial 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 elevación 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 del 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 para un delta delgado, el centro de sustentación se aproxima a la mitad del borde de ataque.
El efecto lateral también conduce a una reducción general de la sustentación y, en algunas circunstancias, también puede provocar un aumento de la resistencia. Puede contrarrestarse mediante el uso de ranuras de vanguardia, vallas laterales y dispositivos relacionados.
Con un ángulo de barrido hacia atrás lo 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 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 del aire 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 elevación subsónica del flujo de aire sobre el ala.
Dentro de este régimen de vuelo, la caída del borde de ataque dentro del cono de choque aumenta la sustentación, pero no la resistencia en un grado significativo. [3] Esta caída cónica del borde de ataque se introdujo en la producción del Convair F-102A Delta Dagger al mismo tiempo que se reelaboró el diseño del prototipo para incluir la regulación del área . También apareció en los dos siguientes 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 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 XB-70 Valkyrie norteamericano , se vuelve practicable. 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 plan de ala delta ofrecen mejoras a la configuración básica. [5]
Delta recortado : la punta está cortada. Esto ayuda a mantener la sustentación exterior y reducir la separación del flujo en la punta del ala (pérdida) en ángulos de ataque elevados. La mayoría de los deltas están recortados al menos hasta cierto punto.
En elDelta compuesto , doble delta o flecha acodada , el borde de ataque no es recto. Normalmente, la sección interior tiene un mayor barrido, creando un vórtice de gran sustentación controlado sin la necesidad de un plano de proa. Los ejemplos incluyen el caza Saab Draken y el experimental General Dynamics F-16XL . El delta conopial (odelta 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 suave curva conopial .
Delta de cola : agrega un plano de cola convencional (con superficies de cola horizontales) para mejorar el manejo. Común en tipos soviéticos como el Mikoyan-Gurevich MiG-21 .
Canard delta : 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 otros aviones sin cola , el ala delta sin cola no es adecuado para cargas alar elevadas y requiere una gran superficie alar para un peso determinado de avión. Los perfiles aerodinámicos más eficientes tienen un paso inestable 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, ser más pequeña y estar más cargada. El desarrollo de aviones equipados con esta configuración se remonta a finales de la década de 1940. [6]
Cuando se usa 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 perdida envuelva el cola. Esto hace que el ascensor 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 luego de la pérdida temprana de una aeronave en tales condiciones. [8] Según se informa, el equipo de diseño de Gloster había optado por utilizar una configuración de delta con cola por necesidad, buscando lograr una maniobrabilidad efectiva a velocidades relativamente altas para la época y al mismo tiempo requería una controlabilidad adecuada cuando se volaba a las velocidades de aterrizaje más lentas deseadas. [9]
Un delta de canard de elevación puede ofrecer un desplazamiento menor en el centro de elevación con un número de Mach creciente en comparación con una configuración de cola convencional.
Un canard descargado o que flota libremente puede permitir una recuperación segura desde un ángulo de ataque alto. Dependiendo de su diseño, una superficie canard puede aumentar o disminuir la estabilidad longitudinal de la aeronave. [10] [11]
Un plano delantero delta canard crea su propio vórtice de arrastre. Si este vórtice interfiere con el vórtice del ala delta principal, esto puede afectar negativamente al flujo de aire sobre el ala y provocar un comportamiento no deseado e incluso peligroso. En la configuración de acoplamiento cercano, el vórtice canard se acopla con el vórtice principal para mejorar sus beneficios y mantener un flujo de aire controlado a través de una amplia gama de velocidades y ángulos de ataque. Esto permite una mejor maniobrabilidad y menores velocidades de pérdida, pero la presencia del plano de proa puede aumentar la resistencia a velocidades supersónicas y, por tanto, reducir la velocidad máxima del avión.
Las aletas estabilizadoras triangulares para cohetes fueron descritas ya en 1529-1556 por el ingeniero militar austriaco Conrad Haas y en el siglo XVII por el ingeniero militar polaco-lituano Kazimierz Siemienowicz . [12] [13] [14] Sin embargo, una verdadera ala elevadora en forma delta no apareció hasta 1867, cuando fue patentada por JW Butler y E. Edwards en un diseño para un cohete con forma de dardo y de baja relación de aspecto. -avión propulsado. A esto le siguieron varias propuestas con forma de dardo similar, como una versión biplano de Butler y Edwards, y una versión propulsada por jet 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 gran envergadura, con cada lado abultado hacia la parte trasera de una manera característica del ala moderna de Rogallo . [18] Durante el año siguiente, en Estados Unidos, UG Lee y WA Darrah patentaron un avión bicónico similar con alas delta y un ala explícitamente rígida. También incorporó una propuesta para un sistema de control de vuelo y abarcó tanto el vuelo sin motor como el vuelo con motor. [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 abandonado el suelo, y los otros diseños de barrido sin cola de Dunne basados en el mismo principio volarían. . [19]
La práctica ala delta fue iniciada por el diseñador aeronáutico alemán Alexander Lippisch en la década de 1930, utilizando un ala gruesa en voladizo sin cola. Sus primeros diseños de este tipo, para los que acuñó el nombre "Delta", utilizaban un ángulo muy suave para que el ala pareciera casi recta y las puntas del ala debían recortarse bruscamente (ver más abajo). Su primer delta voló en 1931, seguido por cuatro ejemplares 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 la curvatura del borde de ataque del ala. Se construyó un planeador experimental, el DM-1 , para probar la aerodinámica del interceptor de alta velocidad P.13a propuesto . [25] Tras el fin de las hostilidades, el DM-1 fue completado en nombre de los Estados Unidos y enviado a Langley Field en Virginia para su examen por el NACA (Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, precursor de la actual NASA ). Sufrió importantes modificaciones en EE. UU., generalmente para reducir su resistencia, lo que resultó en el reemplazo de su gran estabilizador vertical por uno más pequeño y más 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 era algo paralelo al de Lippisch. Durante la década de 1930, había desarrollado una configuración de delta en tándem con un ala delantera recta y un ala trasera delta pronunciada, similar a la de 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 posguerra , Payen voló un jet delta experimental sin cola, el Pa.49 , en 1954, así como la serie Arbalète con configuración de empujador sin cola de 1965. Se propusieron otros derivados basados en el trabajo de Payen, pero finalmente no se desarrollaron. [28] [29]
Después de la guerra, los británicos desarrollaron varios aviones a reacción subsónicos que aprovecharon los datos recopilados del trabajo de Lippisch. Uno de esos 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 equipados con delta. aviones para 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 del centro de gravedad . [31] Gloster propuso un refinamiento del Javelin que tendría, entre otros cambios, un menor grosor del ala para alcanzar velocidades supersónicas de hasta Mach 1,6. [32]
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El aerodinámico estadounidense Robert T. Jones , que trabajó en la NACA durante la Segunda Guerra Mundial, desarrolló la teoría del ala delgada delta para vuelos supersónicos. Publicado por primera vez en enero de 1945, su enfoque contrastaba con el de Lippisch sobre las gruesas alas delta. La delgada ala delta voló por primera vez en el Convair XF-92 en 1948, lo que lo convirtió en el primer avión a reacción con alas 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 la década de 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 del aire 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 37 por ciento; nunca antes se había superado el récord por un margen tan grande. [39] [42]
En su forma original sin cola, el delgado delta fue ampliamente utilizado 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 operativos que contaron 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 combate Dassault Mirage. aviones, 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 Aero e Hidrodinámico, Moscú ), para mejorar el manejo del alto ángulo de ataque , la maniobrabilidad y el rango del centro de gravedad en comparación con una forma en planta delta pura. El Mikoyan-Gurevich MiG-21 ("Fishbed") se convirtió en el avión de combate más construido de la década de 1970. [45]
Durante la década de 1960, el fabricante de aviones sueco Saab AB desarrolló una configuración canard delta de acoplamiento cercano, colocando un plano delantero delta justo delante y encima del ala delta principal. [46] Patentada en 1963, esta configuración se voló 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, más significativamente cuando se vuela en ángulos de ataque altos. A diferencia de los clásicos elevadores 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 velocidad de despegue y aterrizaje. Durante la década de 1960, esta configuración se consideró radical, pero el equipo de diseño de Saab consideró que era el enfoque óptimo disponible para satisfacer las demandas de rendimiento contradictorias del Viggen, que incluían un rendimiento STOL favorable , velocidad supersónica y baja sensibilidad a las turbulencias durante vuelos a bajo nivel. , y sustentación eficiente para vuelos subsónicos. [47] [48]
Desde entonces, el canard monoacoplado se ha vuelto común en los aviones de combate supersónicos. Ejemplos notables incluyen la multinacional Eurofighter Typhoon , el Dassault Rafale de Francia, el Gripen del propio Saab (sucesor del Viggen) y el IAI Kfir de Israel . Una de las principales razones de su popularidad ha sido el alto nivel de agilidad de maniobra de la 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 Concorde anglofrancés como para el Tupolev Tu-144 soviético ; el Tupolev voló por primera vez en 1968. Si bien tanto el Concorde como el prototipo Tu-144 presentaban un Configuración delta ojival , los modelos de producción del Tu-144 se diferenciaban por cambiar a un ala delta doble . [51] Las alas delta requirieron que estos aviones adoptaran un ángulo de ataque más alto a bajas velocidades que los aviones convencionales; En el caso del Concorde, la sustentación se mantuvo permitiendo la formación de grandes vórtices de baja presión en 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 la de los aviones subsónicos. [53] Según se informa, varios sucesores propuestos, como el Transporte Hipersónico de Emisiones Cero 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 su almacenamiento. 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 hinchaba formando un perfil de doble cono que le daba estabilidad aerodinámica. Aunque se probó pero finalmente nunca se utilizó para la recuperación de naves espaciales, este diseño pronto se hizo popular para alas delta y aviones ultraligeros y se conoce como el ala Rogallo.
Lippisch.
[Lippisch Delta I y Horten HI] Ambos aviones muestran cómo no hacerlo.
