La regla del área de Whitcomb , llamada así en honor al ingeniero de la NACA Richard Whitcomb y también llamada regla del área transónica , es un procedimiento de diseño utilizado para reducir la resistencia de un avión a velocidades transónicas que se producen entre Mach 0,75 y 1,2 aproximadamente. Para velocidades supersónicas se utiliza un procedimiento diferente llamado regla del área supersónica , desarrollado por el aerodinámico de la NACA, Robert Jones .
Transonic es uno de los rangos de velocidad más importantes para los aviones comerciales y militares de ala fija en la actualidad, siendo la aceleración transónica un requisito de rendimiento importante para los aviones de combate y que se mejora mediante la reducción de la resistencia transónica.
A altas velocidades de vuelo subsónico, la velocidad local del flujo de aire puede alcanzar la velocidad del sonido, donde el flujo se acelera alrededor del cuerpo y las alas del avión . La velocidad a la que se produce este desarrollo varía de un avión a otro y se conoce como número de Mach crítico . Las ondas de choque resultantes formadas en estas zonas de flujo sónico provocan un aumento repentino de la resistencia , llamado resistencia de la onda . Para reducir el número 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 del área de la sección transversal longitudinal tienen la misma resistencia de las olas, 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 debe disponerse cuidadosamente 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 tiene "cintura". Es posible que sea necesario reducir el área de la sección transversal del fuselaje aplanando los lados del fuselaje debajo de una cubierta de burbujas y en las superficies de la cola para compensar su presencia, lo cual se hizo en el Hawker Siddeley Buccaneer . [1]
Una regla de área diferente, conocida como regla del área supersónica, desarrollada por el aerodinámico de la NACA Robert Jones en "Theory of wing-body drag at supersonic speeds", [2] es aplicable a velocidades más allá de las transónicas y, en este caso, la sección transversal El requisito de área 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 del avión será un ángulo μ = arcsen(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, los aviones diseñados para una menor resistencia de las olas a velocidad supersónica suelen tener alas hacia la parte trasera. [2]
Un concepto superficialmente relacionado es el cuerpo de Sears-Haack , cuya forma permite una resistencia mínima de las olas para una longitud y un volumen determinados. 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 pequeñas perturbaciones, así como la teoría de Ackeret, que describe de cerca el flujo supersónico. Ambos métodos pierden validez para flujos transónicos donde se aplica la regla del área, debido a los supuestos hechos en sus derivaciones. Entonces, aunque la forma del cuerpo de Sears-Haack, al ser suave, tendrá propiedades de arrastre de onda favorables según la regla del área, en teoría no es óptima. [3]
La regla del área fue descubierta por Otto Frenzl al comparar un ala en flecha con un ala W con una resistencia de onda extremadamente alta [4] mientras trabajaba en un túnel de viento transónico en la fábrica 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 los cuerpos de desplazamiento en vuelos 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 "Formas fundamentalmente nuevas para 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 delgado fuselaje medio 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, incluido el Henschel Hs 135. Varios otros investigadores estuvieron a punto 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 flujo locales, en la unión entre el fuselaje y el ala en flecha . El fuselaje tenía un contorno o cintura para adaptarse al flujo. El requisito de configuración de este enfoque de "campo cercano" también resultaría del posterior enfoque de "campo lejano" de Whitcomb para la reducción de la resistencia utilizando su regla del área sónica. [7]
Wallace D. Hayes , un pionero del vuelo supersónico , desarrolló la regla del área transónica en publicaciones a partir de 1947 con su doctorado. tesis en el Instituto de Tecnología de California . [8]
Richard T. Whitcomb , que da nombre a la regla, descubrió esta regla 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 , le sorprendió el aumento de la resistencia debido a la formación de ondas de choque. Whitcomb se dio cuenta de que, con fines analíticos, un avión podía reducirse a un cuerpo de revolución aerodinámico, alargado tanto como fuera posible para mitigar las discontinuidades abruptas y, por tanto, un aumento de resistencia igualmente abrupto. [9] Los choques se pudieron ver usando fotografías 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 del 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 que el aire fluía suavemente alrededor del cuerpo del avión, a altas velocidades simplemente no tenía tiempo de "quitarse del camino", y en cambio comenzaba a fluir como si se tratara de tuberías rígidas de flujo, una concepto al que Busemann se refirió como "streampipes", en contraposición a streamlines , y sugirió en broma que los ingenieros debían considerarse "instaladores de tuberías".
Varios días después, Whitcomb tuvo un momento " Eureka ". La razón de la alta resistencia era que los "tubos" de aire interferían entre sí en tres dimensiones. No se considera simplemente el aire que fluye sobre una sección transversal 2D del avión como lo hacían otros en el pasado; ahora también tenían que considerar el aire a los "laterales" del avión que también interactuaría con estos arroyos. Whitcomb se dio cuenta de que la forma tenía que aplicarse al avión en su conjunto , y no sólo al fuselaje. Eso significaba que el área transversal adicional de las alas y la cola debía tenerse en cuenta en la forma general, y que el fuselaje debería estrecharse en el lugar donde se unen para que se acerque más al ideal.
El primer avión en el que se aplicó la regla del área fue el banco de pruebas del bombardero 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 en 1957 para programas civiles. [12] Convair y Grumman, con la ayuda de Whitcomb, lo utilizaron simultáneamente para diseñar el Grumman F-11 Tiger y rediseñar el Convair F-102 . [13] El Grumman F-11 Tiger fue el primero de los dos aviones en volar y había sido 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 basaba en predicciones optimistas de resistencia del túnel de viento. [15] [16] Las modificaciones que incluyeron sangrar el fuselaje al lado de las alas y agregar más volumen a la parte trasera del avión, redujeron significativamente la resistencia transónica y se alcanzó la velocidad de diseño 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 en Mach 1 y así permitir velocidades supersónicas con menos empuje del que de otro modo hubiera sido necesario.
En 1957 se dispuso de 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 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 impacto, lo que la debilitó y redujo la resistencia asociada a ella. Al Convair 990 se le agregaron protuberancias llamadas cuerpos antichoque en 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 provocó velocidades supersónicas y fue la fuente de una resistencia significativa. Se aplicó una técnica de regla de área, llamada 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 se desplazó primero 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 lugar a un fuselaje más liso que se mantuvo más ancho en promedio que uno que utiliza un ala en flecha clásica.
La extensión detrás de la cabina de vuelo del Rockwell B-1 Lancer y del Boeing 747 se añadió para mejorar la distribución del área transversal de acuerdo con la regla del área. [17]
Los aviones diseñados según la regla del área de Whitcomb (como el F-102 Delta Dagger y el Northrop F-5 ) parecían extraños cuando aparecieron por primera vez y, a veces, fueron denominados " botellas de Coca-Cola voladoras ", pero esto se convirtió en una parte esperada de la apariencia de algunos. aviones transónicos. Los indicios visualmente evidentes de que la regla del área ha definido la forma de un avión son la "cintura" del fuselaje y la forma del tanque de punta como en el Northrop F-5 , y el adelgazamiento del fuselaje trasero en aviones de negocios con motores traseros como el Bombardier Global Express . La regla también requiere una ubicación cuidadosa de las piezas, como los propulsores y el compartimiento de carga de los cohetes y la forma y ubicación de la cubierta del F-22 Raptor .
La regla del área supersónica se aplicó, a Mach 2, al prototipo Concorde . El fuselaje trasero se amplió 3,73 m en el avión de producción y redujo la resistencia de las olas en un 1,8%. [18]
.jpg/1280px-Aerospatial_Concorde_(6018513515).jpg)
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )