En aeronáutica , la resistencia de las olas es un componente de la resistencia aerodinámica en las alas y el fuselaje de las aeronaves, las puntas de las palas de las hélices y los proyectiles que se mueven a velocidades transónicas y supersónicas , debido a la presencia de ondas de choque . [1] La resistencia de las olas es independiente de los efectos viscosos , [2] y tiende a presentarse como un aumento repentino y dramático de la resistencia a medida que el vehículo aumenta la velocidad hasta el número crítico de Mach . Es el aumento repentino y dramático de la resistencia de las olas lo que conduce al concepto de barrera del sonido .
La resistencia de las ondas es un componente de la resistencia de presión debido a los efectos de compresibilidad . [3] Es causada por la formación de ondas de choque alrededor de un cuerpo. Las ondas de choque crean una cantidad considerable de resistencia, que puede resultar en una resistencia extrema en el cuerpo. Aunque las ondas de choque se asocian típicamente con el flujo supersónico, pueden formarse a velocidades subsónicas de la aeronave en áreas del cuerpo donde el flujo de aire local se acelera a velocidad supersónica. El efecto se ve típicamente en aeronaves a velocidades transónicas (alrededor de Mach 0,8 ), pero es posible notar el problema a cualquier velocidad por encima de la velocidad crítica de Mach de esa aeronave. Es tan pronunciado que, antes de 1947, se pensaba que los motores de las aeronaves no serían lo suficientemente potentes para superar la resistencia mejorada, o que las fuerzas serían tan grandes que las aeronaves correrían el riesgo de romperse en pleno vuelo. Condujo al concepto de una barrera de sonido .
En 1947, los estudios sobre la resistencia de las olas condujeron al desarrollo de formas perfectas para reducir la resistencia de las olas tanto como fuera teóricamente posible. Para un fuselaje, la forma resultante fue el cuerpo Sears-Haack , que sugería una forma de sección transversal perfecta para cualquier volumen interno dado. La ojiva de von Kármán era una forma similar para cuerpos con un extremo romo, como un misil. Ambos se basaban en formas estrechas y largas con extremos puntiagudos, siendo la principal diferencia que la ojiva era puntiaguda solo en un extremo.
Una serie de nuevas técnicas desarrolladas durante y justo después de la Segunda Guerra Mundial lograron reducir drásticamente la magnitud de la resistencia de las olas y, a principios de la década de 1950, los últimos aviones de combate podían alcanzar velocidades supersónicas .
Los diseñadores de aeronaves rápidamente pusieron en práctica estas técnicas. Una solución habitual al problema de la resistencia de las olas era utilizar un ala en flecha , que en realidad se había desarrollado antes de la Segunda Guerra Mundial y se había utilizado en algunos diseños alemanes durante la guerra. Al barrer el ala, esta parece más delgada y más larga en la dirección del flujo de aire, lo que hace que la forma convencional del ala en forma de lágrima se parezca más a la de la ojiva de von Kármán , aunque sigue siendo útil a velocidades más bajas, donde la curvatura y el grosor son importantes.
No es necesario que el ala esté en flecha cuando es posible construir un ala extremadamente delgada. Esta solución se utilizó en varios diseños, comenzando con el Bell X-1 , el primer avión tripulado que voló a la velocidad del sonido. La desventaja de este enfoque es que el ala es tan delgada que ya no es posible usarla para almacenar combustible o tren de aterrizaje. Este tipo de alas son muy comunes en los misiles, aunque, en ese campo, a menudo se las denomina "aletas".
La forma del fuselaje también cambió con la introducción de la regla del área de Whitcomb . Whitcomb había estado trabajando en la prueba de varias formas de fuselaje para la resistencia transónica cuando, después de ver una presentación de Adolf Busemann en 1952, se dio cuenta de que la carrocería Sears-Haack tenía que aplicarse a todo el avión, no solo al fuselaje. Esto significaba que el fuselaje debía hacerse más estrecho en la unión con las alas, de modo que la sección transversal de todo el avión coincidiera con la carrocería Sears-Haack.
La aplicación de la regla del área también se puede ver en el uso de cuerpos antichoque en aeronaves transónicas , incluidos algunos aviones de pasajeros a reacción . Los cuerpos antichoque, que son cápsulas a lo largo de los bordes de salida de las alas, cumplen la misma función que el diseño de fuselaje de cintura estrecha de otras aeronaves transónicas.
A lo largo de los años se han introducido otros intentos de reducir la resistencia aerodinámica. El perfil aerodinámico supercrítico es un tipo que produce una sustentación razonable a baja velocidad, como un perfil aerodinámico normal, pero tiene un perfil considerablemente más cercano al de la ojiva de von Kármán. Todos los aviones de pasajeros civiles modernos utilizan formas de perfil aerodinámico supercrítico y tienen un flujo supersónico sustancial sobre la superficie superior del ala.
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Dónde:
cd_w - Coeficiente de arrastre por arrastre de olas
α - Ángulo de ataque
t/c - Relación entre el espesor y la cuerda
M - Número de Mach de Freestream
Estas ecuaciones son aplicables en ángulos de ataque bajos (α < 5°)
