Un perfil aerodinámico supercrítico ( supercritical airfoil en inglés americano) es un perfil aerodinámico diseñado principalmente para retrasar la aparición de la resistencia de las olas en el rango de velocidades transónicas .
Los perfiles aerodinámicos supercríticos se caracterizan por su superficie superior aplanada, su sección trasera muy curvada ("curvada hacia abajo") y un radio de borde de ataque más grande en comparación con las formas de perfiles aerodinámicos laminares de la serie NACA 6 . [1] Las formas de ala estándar están diseñadas para crear una presión más baja sobre la parte superior del ala. Tanto la distribución del espesor como la curvatura del ala determinan cuánto acelera el aire alrededor del ala. A medida que la velocidad del avión se acerca a la velocidad del sonido , el aire que acelera alrededor del ala alcanza Mach 1 y comienzan a formarse ondas de choque . La formación de estas ondas de choque provoca el arrastre de las ondas. Los perfiles aerodinámicos supercríticos están diseñados para minimizar este efecto aplanando la superficie superior del ala.
Los orígenes del perfil aerodinámico supercrítico se remontan al aerodinámico alemán K. A. Kawalki, quien diseñó varios perfiles aerodinámicos durante la Segunda Guerra Mundial . Tras el final del conflicto, varias naciones continuaron investigando en este campo, incluidas Alemania, el Reino Unido y los Estados Unidos . En particular, Hawker Siddeley Aviation diseñó una serie de perfiles aerodinámicos avanzados que, entre otros programas, se incorporaron al Airbus A300 . En Estados Unidos, el aerodinámico Richard Whitcomb produjo perfiles aerodinámicos supercríticos similares a los trabajos anteriores de Kawalki; estos se utilizaron para diseñar un ala supercrítica que, a su vez, se incorporó a aviones tanto civiles como militares. En consecuencia, las técnicas aprendidas de los estudios de las secciones originales de los perfiles supercríticos se han utilizado para diseñar perfiles para varios aviones subsónicos y transónicos de alta velocidad, desde los aviones de pasajeros Airbus A310 y Boeing 777 hasta el jet de salto McDonnell Douglas AV-8B Harrier II .
El perfil aerodinámico supercrítico fue propuesto por primera vez por aerodinámicos en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial . Durante 1940, K. A. Kawalki en Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt Berlin-Adlershof diseñó una serie de perfiles aerodinámicos caracterizados por bordes de ataque elípticos, espesor máximo ubicado aguas abajo hasta el 50% de la cuerda y una superficie superior plana. B. Göthert y K. A. Kawalki informaron sobre las pruebas de estos perfiles en 1944. Las formas de los perfiles aerodinámicos de Kawalki eran similares a las producidas posteriormente por el aerodinámico estadounidense Richard Whitcomb . [2] Los autores de aviación Ernst Heinrich Hirschel, Horst Prem y Gero Madelung se han referido al perfil supercrítico como de igual importancia, en términos de aerodinámica, que la innovación del ala en flecha para los aviones de alta velocidad. [3]
Durante las décadas de 1950 y 1960, varios aviones de investigación de alta velocidad equipados con perfiles convencionales encontraron repetidamente dificultades para romper la barrera del sonido, o incluso alcanzar Mach 0,9. El flujo de aire supersónico sobre la superficie superior del perfil aerodinámico tradicional indujo una resistencia excesiva de las olas , así como una forma de pérdida de estabilidad conocida como Mach tuck . Los aerodinámicos determinaron que, al darle una forma adecuada al perfil aerodinámico utilizado, la gravedad de estos problemas podría reducirse en gran medida, permitiendo que la aeronave alcance velocidades mucho más altas; esta es la base del ala supercrítica. Su diseño permite que el ala mantenga altos niveles de rendimiento a velocidades más cercanas a Mach 1 que sus contrapartes tradicionales.
En 1962 se lanzó el Vickers VC-10, que tenía alas con características supercríticas. El VC-10 fue el primer avión de pasajeros en tener una sección de ala diseñada específicamente para el avión (en lugar de una forma estándar). En el diseño trabajaron los institutos de investigación Vickers y del Reino Unido. [4] [5] Entre 1959 y 1968, el fabricante aeroespacial británico Hawker Siddeley Aviation , con sede en Hatfield, Inglaterra, diseñó sus propios perfiles aerodinámicos mejorados, que a veces se denominaban perfiles aerodinámicos de techo con carga trasera. La investigación de Hawker Siddeley sirvió posteriormente como base para el ala supercrítica del Airbus A300 , un avión de pasajeros multinacional de fuselaje ancho que voló por primera vez en 1972. [6] [7] Paralelamente, la Alemania de posguerra y los Países Bajos también llevaron a cabo sus propios esfuerzos de investigación sobre diseños óptimos de perfiles aerodinámicos transónicos, con la intención de que estos esfuerzos apoyen los programas de aviación civil. [8] Hasta la década de 1970, se prestó considerable atención al desarrollo de un perfil aerodinámico que realizara una recompresión isentrópica, un retorno sin impactos del flujo de aire a velocidades subsónicas. [9]
En Estados Unidos, el perfil aerodinámico supercrítico fue un área de investigación durante la década de 1960; Una de las principales figuras estadounidenses en este campo fue Richard Whitcomb. Un T-2C Buckeye norteamericano especialmente modificado funcionó como uno de los primeros bancos de pruebas aéreas para el ala supercrítica, realizando numerosos vuelos de evaluación durante este período en apoyo del esfuerzo de investigación. [10] Después de las pruebas de vuelo iniciales, los nuevos perfiles se probaron a velocidades cada vez más altas en otro avión militar modificado, el TF-8A Crusader . [11]
Si bien la NASA había trabajado inicialmente en el perfil aerodinámico supercrítico como parte del programa Nacional de Transporte Supersónico de los Estados Unidos , el avión supersónico que se estaba desarrollando para aprovecharlo, el Boeing 2707 , fue finalmente cancelado debido a una combinación de desafíos técnicos y relativamente Altos precios. [12] [13] A pesar de esto, el trabajo fue un aspecto del programa que sobrevivió a la cancelación de su principal destinatario. La forma del perfil aerodinámico supercrítico se incorporó al diseño del ala supercrítica.
De este modo, la tecnología se ha aplicado posteriormente con éxito a varios aviones altamente subsónicos, aumentando notablemente su eficiencia de combustible . [14] Los primeros ejemplos incluyen los aviones de pasajeros Boeing 757 y Boeing 767 , ambos desarrollados durante la década de 1970. [15] Según Hirschel, Prem y Madelung, el ala supercrítica se considera un elemento esencial de los aviones modernos, lo que apunta a su uso en la gama de productos de Airbus. [9]
Durante 1984, la investigación de Kawalki fue citada como base para una objeción formal contra la especificación de patente estadounidense que se había emitido para el perfil aerodinámico supercrítico. [16] Por esta época, se dice que el trabajo de Kawalki desempeñaba un papel activo en el diseño de nuevos aviones de pasajeros, como el Airbus A310 . [9] Además, algunos aviones han sido rediseñados para incorporar alas supercríticas; como el Hawker Siddeley Harrier , conocido popularmente como Harrier jump jet , que tenía un modelo AV-8B Harrier II de segunda generación que adoptaba una nueva ala supercrítica de una sola pieza para mejorar el rendimiento de crucero retrasando el aumento de la resistencia y aumentando la sustentación. -relación de arrastre. [17]
La adopción del perfil aerodinámico supercrítico entre los aviones a reacción modernos ha disminuido el uso de algunos otros métodos para disminuir la resistencia de las olas. El cuerpo antichoque fue uno de esos métodos, ya que también se derivó del trabajo de Richard Whitcomb y del aerodinámico alemán Dietrich Küchemann . [18] También conocido como "cuerpos de Whitcomb" o "zanahorias de Küchemann", está estrechamente asociado con la regla del área , una innovación reciente de la época para minimizar la resistencia de las olas al tener un área de sección transversal que cambia suavemente a lo largo de la longitud de el avión. [19] [20]
Los perfiles aerodinámicos supercríticos presentan cuatro beneficios principales: tienen un mayor número de Mach de divergencia de arrastre , [21] desarrollan ondas de choque más atrás que los perfiles aerodinámicos tradicionales, [22] reducen en gran medida la separación de la capa límite inducida por los impactos y su geometría permite un ala más eficiente. diseño (por ejemplo, un ala más gruesa y/o un barrido de ala reducido, cada uno de los cuales puede permitir un ala más liviana). A una velocidad particular para una sección determinada del perfil aerodinámico, el número crítico de Mach , el flujo sobre la superficie superior de un perfil aerodinámico puede volverse localmente supersónico, pero se desacelera para igualar la presión en el borde de salida de la superficie inferior sin sufrir un impacto. Sin embargo, a una cierta velocidad más alta, el número de Mach de divergencia de arrastre , se requiere un choque para recuperar suficiente presión para igualar las presiones en el borde de salida. Este choque provoca un arrastre de ondas transónicas y puede inducir la separación del flujo detrás de ella; ambos tienen efectos negativos en el rendimiento del perfil aerodinámico.
En un cierto punto a lo largo del perfil aerodinámico, se genera un choque que aumenta el coeficiente de presión al valor crítico C p-crit , donde la velocidad del flujo local será Mach 1. La posición de esta onda de choque está determinada por la geometría del perfil aerodinámico. ; una lámina supercrítica es más eficiente porque la onda de choque se minimiza y se crea lo más atrás posible, reduciendo así la resistencia . En comparación con una sección típica de perfil aerodinámico, el perfil aerodinámico supercrítico crea más sustentación en el extremo trasero, debido a su distribución más uniforme de la presión sobre la superficie superior.
Además de un rendimiento transónico mejorado, el borde de ataque ampliado de un ala supercrítica le confiere excelentes características de alta sustentación. En consecuencia, los aviones que utilizan un ala supercrítica tienen un rendimiento superior en despegue y aterrizaje. Esto hace que el ala supercrítica sea la favorita de los diseñadores de aviones de transporte de carga. Un ejemplo notable de uno de esos aviones de carga pesada que utiliza un ala supercrítica es el Boeing C-17 Globemaster III . [23]
El comportamiento de pérdida del perfil supercrítico es diferente al de los perfiles aerodinámicos de baja velocidad. La capa límite a lo largo del borde de ataque de un ala supercrítica comienza delgada y laminar en ángulos de crucero. A medida que aumenta el ángulo de ataque (AOA), esta capa laminar se desprende en una región estrecha y forma una burbuja corta. El flujo de aire, ahora turbulento, se vuelve a unir a la superficie detrás de la burbuja; el aumento de la resistencia no es extremo en esta condición. Sin embargo, si el AOA aumenta hasta el punto de estancamiento, se genera un gradiente de presión adverso y se puede formar una onda de choque dentro de la delgada capa límite delante de la burbuja, incluso a una velocidad relativamente baja. En el ángulo crítico, la burbuja se expande rápidamente ("estalla"), lo que hace que el flujo de aire se desprenda repentinamente de toda la superficie (desde el borde anterior al borde posterior). La abrupta pérdida de sustentación se ve exacerbada por la falta de la tradicional "advertencia" de pérdida o sacudida que proporcionaría un contorno de baja velocidad. [24]
Debido a esta falta de advertencia de sacudidas, las aeronaves que utilizan alas supercríticas están equipadas habitualmente con sistemas de alerta de sacudidas y recuperación de empujadores de palancas , para cumplir con los requisitos de certificación. Dado que las vallas de las alas "impiden que toda el ala entre en pérdida a la vez", también pueden constituir un medio alternativo para proporcionar recuperación a este respecto. [25]
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