Ala en flecha

Esquema de un avión con configuración de ala en flecha.

El ala en flecha es una configuración alar común en los aviones de alta velocidad. La forma más común de ala en flecha es con los extremos de éstas dirigidos hacia atrás, en vez de formar un ángulo recto con el fuselaje, sin embargo, la configuración opuesta (con los extremos de las alas dirigidos hacia adelante) también es utilizada en algunos aviones.

Historia

Un B-52 Stratofortress mostrando unas alas en flecha con un ángulo relativamente agudo para un avión de transporte.

Las alas en flecha de un avión ejecutivo grande.

Este efecto ya era conocido hacia 1930, pero como los aviones por esa época volaban a velocidades reducidas, se lo consideraba un tema de interés puramente académico. La existencia de grandes motores en la parte anterior de los aviones hacia difícil obtener un ratio de fineza adecuado, y a pesar de que era posible fabricar alas delgadas y anchas, estas características resultaban en una reducción en su resistencia. El avión británico Supermarine Spitfire utilizó alas tan delgadas como era posible para disminuir la fuerza de arrastre a altas velocidades, aunque esto produjo una serie de problemas aerodinámicos tales como inestabilidades en el control. Los diseños alemanes en cambio optaron por alas más gruesas de mayor resistencia y mayor espacio interno que permitían guardar el tren de aterrizaje, combustible y armamento, aunque a costa de una mayor fuerza de arrastre.

Una solución práctica ya había sido presentada por ingenieros alemanes en una reunión de temas de aeronáutica que tuvo lugar en 1936 en Italia. En su presentación ellos notaron que el alto o espesor del ala para sus cálculos se debía medir a lo largo de la dirección del flujo de aire en vez de medirlo a lo largo de la línea de la cuerda del ala. De esta forma un ala gruesa podía ser "adelgazada" al rotarla hasta lograr un ángulo relativo a la dirección del flujo de aire orientándola para atrás (en flecha). Dado que por esa época la velocidad máxima de los aviones apenas alcanzaba los 400 km/h, la presentación alemana no tuvo una aplicación inmediata.

Con la introducción de los motores de reacción en la última mitad de la Segunda Guerra Mundial la aplicación del ala en flecha se hizo relevante. Los aviones alemanes Messerschmitt Me 262 (con motor de reacción) y Messerschmitt Me 163 (impulsado por un motor cohete) sufrían los efectos de la compresibilidad, lo que los hacía muy difíciles de controlar a altas velocidades. Además las altas velocidades los situaban el el régimen de wave drag, y cualquier cosa que pudiera reducir este efecto incrementaría las prestaciones de estos aparatos, sobre todo el reducidísimo tiempo de vuelo, del orden de minutos.

Por dichas razones se lanzó un plan masivo para introducir diseños de alas en flecha, tanto para los aviones caza como para los bombarderos. Para ello se construyó el Messerschmitt Me P.1101, como avión de prueba prototipo, para investigar las características y particularidaes del diseño y establecer cuales eran los ángulos óptimos de la flecha para las alas. Ninguno de los disenos estuvo consolidado como para ser utilizado antes de la finalización de la Segunda Guerra Mundial, pero el P.1101 fue capturado por el ejército norteamericano y enviado a Estados Unidos. En Estados Unidos se construyeron dos copias con motores norteamericanos que se utilizaron para avanzar en la investigación y que fueron conocidos como Bell X-5.

La introducción de los avances alemanes en el campo de las alas en flecha en la aeronáutica causaron una pequeña revolución, y casi todos los diseños en curso fueron modificados para incorporar alas en flecha. Una víctima interesante fue el Miles M-52, cuyo proyecto fue cancelado, el mismo era un intento de diseño de alas rectas para intentar quebrar la barrera del sonido. Cuando el diseño de ala en flecha salió a la luz el proyecto fue cancelado, ya que se pensaba que tendría mucha más resistencia a romper la barrera del sonido, pero poco después sin embargo en EEUU hicieron exactamente eso con el Bell X-1. En 1945, Robert T. Jones un ingeniero del NACA desarrolló la teoría del barrido que perfeccionó el concepto de ala en flecha y permitió estudiar su capacidad de reducir los efectos de la onda de choque en los números de mach críticos. A principio de los años 1950 la mayoría de los aviones de combate utilizaban alas en flecha. Fue entonces cuando otro problema descubierto por los alemanes salió a la luz.

Velocidad del sonido

F-14 Tomcat, un ejemplo de aeronave con alas de geometría variable, en este caso en configuración para alta velocidad (ángulo de las alas más agudo) para romper mejor la barrera del sonido

Las alas en flecha se emplean en aviones que realizan parte de sus vuelos en velocidades en torno a la velocidad del sonido. Inicialmente sólo se utilizaron en aviones de combate, pero actualmente pueden verse en prácticamente todos los aviones de reacción, incluyendo aviones de línea regular o privados.

Cuando una aeronave se aproxima a la velocidad del sonido, empieza a aparecer el fenómeno conocido como "buffer".^[1] El aire alcanza velocidades supersónicas en los extremos de las alas y esta zona de velocidad supersónica acaba en una onda de choque oblicua, que es prácticamente perpendicular en la parte superior del ala. Las pérdidas de la onda de choque normal incrementan el arrastre. El choque puede hacerse más oblicuo haciendo que el perfil de la aeronave cambie tan gradualmente como sea posible (alto ratio de fineza o fineness ratio en inglés).

En lugar de cambiar el perfil es posible actuar indirectamente mediante ala swings o extendiendo las alas con cuerpos anti-choque, los cuales producen efectos mínimos a bajas velocidades. Estos métodos también desplazan el choque en otra dirección (que no es visible en una vista en corte del perfil alar) especialmente con alas en flecha hacia adelante: el choque ocurre cerca del flanco de ataque. Sweep back in conjunction with taper is useful only if the wing is swept forward.

Para vuelos supersónicos el borde de ataque del ala debe ser muy agudo o swept back.

Desventajas

Alas rectas de un avión ligero Maule M-7-235B Super Rocket

Cuando un avión con alas en flecha vuela a gran velocidad, el flujo de aire tiene poco tiempo para reaccionar y simplemente fluye sobre el ala. A velocidades más bajas, parte del aire es empujado lateralmente hacia los extremos de las alas. En la raíz de las mismas, este efecto es despreciable, pero conforme nos acercamos a los extremos el flujo de aire es empujado lateralmente no sólo por las alas, también por el movimiento lateral del aire que tiene debajo. Así, en el extremo, el flujo de aire se mueve a lo largo del ala, en vez de pasar sobre ella, este fenómeno se conoce como spanwise flow.

El empuje sobre un ala es generado por el flujo de aire sobre ella desde su frente hacia su cola. Debido a un incremento de los viajes de envergadura, la cantidad de flujo desde el frontal hacia la cola se reduce, llevando a una pérdida de fuerza de despegue. Normalmente no es un problema, pero como los aviones reducen la velocidad para aterrizar los extremos pueden realmente caer por debajo del punto de entrada en pérdida incluso a velocidades donde dichas entradas no deberían ocurrir. Cuando esto ocurre los extremos entran en pérdida y como el extremo está extendido hacia la cola, la elevación neta se mueve hacia delante. Esto causa que el avión se lance hacia arriba, conduciendo a más entrada en périda de las alas, llevando a un lanzamiento mayor y así. Este problema viene siendo conocido como Sabre dance en referencia a los North American F-86 Sabre que tuvieron accidentes como resultados de aterrizajes.

Se desarrollaron varias soluciones para este problema. Una fue el agregado de una faja de metal llamada wing fence sobre la superficie superior del ala para encauzar el flujo hacia atrás (esta solución se usó por ejemplo en el MiG-15), otro diseño similar fue el agregado de un corte de diente de perro al extremo delantero (Avro Arrow). Otros diseños siguieron ideas más radicales, incluyendo el ala del XF-91 Thunderceptor que aumentaba su grosor hacia el extremo para proveer más fuerza de despegue y los británicos se inclinaron por una medialuna compound sweep o ala ciomitarra que reducía el barrido a lo largo de la envergadura, utilizado en el Handley Page Victor, uno de los Bombarderos Serie V.

Las soluciones modernas al problema no necesitaron más diseños "personalizados" como este. La adición de tablillas en el extremo frontal y un gran dispositivo hipersustentador en las alas ha resuelto bastante bien el problema. En diseños de combatem la adición de LEXs, incluidos para alta maniobrabilidad, también sirven para añadir empuje durante el aterrizaje y reducir el problema.

El ala en flecha tiene varios problemas más. Uno es que cualquiera sea la longitud del ala, la envergadura real extremo a extremo es más corta que la de cualquier ala que no es en flecha. El arrastre a baja velocidad está correlacionado con la relación de aspecto, la envergadura comparada con la cuerda, tal que un ala en flecha siempre tiene más arrastre a baja velocidad. Otro problema es el torque aplicado por el ala del fuselaje, tanto que el empuje del ala desciende por detrás del punto donde la raíz del ala se conecta al avión. Finalmente, mientras que es realmente fácil ubicar los spars principales del ala a través del fuselaje en un diseño de ala recto para usar una única pieza de metal contínua, esto no es posible en el ala en flecha porque los spars se encontrarían en ese ángulo.

Ala en flecha invertida

Grumman X-29 un avión experimental mostrando un ejemplo extremo de alas en flecha dirigidas hacia adelante.

Uno de los diseños alares menos estables aerodinámicamente es el de las alas en flecha invertida. A pesar de eso, este diseño proporciona al avión una extraordinaria agilidad y maniobrabilidad. El Grumman X-29 de 1984 fue un proyecto experimental que permitió probar la mejora de la maniobrabilidad que aportaba esta tecnología. El Su-47 Berkut es otro notable ejemplo de empleo de esta solución técnica. Con las alas en flecha invertida se hacen necesarios los sistemas de vuelo asistidos por ordenador y los sistemas fly by wire. Si el ángulo de la flecha invertida no es excesivo, la inestabilidad no es tan acusada. De hecho, es una configuración utilizada en muchos planeadores biplazas a fin de hacer coincidir el centro de masas y el centro de empuje de la aeronave. Esto es necesario para permitir que el nacimiento de las alas spar esté situado tras el asiento trasero del aparato.

Referencias

• Swept Wings and Effective Dihedral
• Supersonic wing designs
• The development of swept wings
• The L-39 and swept wing research
• Swept wings and lateral stability

Véase también

• Ala en delta
• Planform
• Sweep theory
• Número de Mach
• Teoría de von Karman, primero en reconocer las importancia de la forma de las alas en forma de flecha.