¿Cómo aumenta el barrido del ala la estabilidad de la aeronave?

Estabilidad direccional

Cuando un ala en flecha vuela con un deslizamiento lateral, el lado de barlovento se comporta como un ala con un barrido menos efectivo.$\varphi_{eff}$y el lado de sotavento como uno de barrido más efectivo. El barrido del ala provoca un aplanamiento de la pendiente de la curva de sustentación por dos razones:

1. El ángulo de ataque efectivo se reduce por el coseno del ángulo de barrido.
2. Solo el componente de velocidad normal a la línea de un cuarto de cuerda del ala crea sustentación, por lo que un ala en flecha genera menos sustentación por área que un ala recta.

La mayor sustentación hace rodar la aeronave, pero también produce una mayor resistencia inducida por la sustentación que la empuja de regreso al vuelo recto. El boceto de arriba muestra esto para el planeador de ala voladora SB-13 . Este efecto es tan fuerte que las configuraciones barridas de ala alta necesitan un anédrico para mantener bajo el momento de balanceo inducido por el deslizamiento lateral.

Para completar, también la fuerza lateral$Y$de fuselaje y winglets se agrega y muestra que los winglets ayudan mucho a crear estabilidad direccional. Esto es necesario en el caso del SB-13 porque tiene una distribución de sustentación casi elíptica. El uso de una distribución triangular (N9-M) o incluso una distribución en forma de campana ( alas voladoras de Horten ) evita la necesidad de winglets, pero provoca una mayor resistencia inducida en vuelo recto. Otro inconveniente es la baja estabilidad direccional a alta velocidad, porque este efecto de barrido aumenta con el coeficiente de sustentación en el ala exterior.

Estabilidad longitudinal

El barrido del ala también ayuda a la estabilidad longitudinal al estirar el ala a lo largo. Esto es importante para alas voladoras que carecen de una superficie de cola separada. Al cambiar los ángulos de los flaps en el centro o en las puntas de las alas, se puede cambiar la sustentación en las secciones más hacia adelante o hacia atrás para controlar el cabeceo, y un mayor barrido aumenta el brazo de palanca de estos cambios. Además, en las alas voladoras barridas, la estabilidad estática natural se puede lograr sin el uso de superficies aerodinámicas reflejas, sino mediante la aplicación de lavado. De nuevo, cuanto mayor sea el ángulo de barrido, menos lavado se requiere.

¿Mucho barrido?

¡Fácilmente! Barrer un ala crea muchos problemas:

1. El barrido reduce la pendiente de la curva de sustentación y la sustentación máxima de un ala. La actitud de aterrizaje máxima con un ala esbelta y muy barrida está severamente limitada por el espacio libre de la punta del ala, por lo que las alas barridas necesitan dispositivos potentes de gran sustentación.
2. El barrido hace que la capa límite se lave hacia afuera, lo que provocará un comportamiento de pérdida desagradable una vez que se haya excedido una relación específica de relación de aspecto del ala y barrido. Esto puede estar algo limitado por vallas laterales, pero es mejor evitarlo por completo.
3. Los cambios de barrido significan que los momentos de flexión se convertirán parcialmente en momentos de torsión, lo que requerirá una rigidez torsional del ala.
4. Para alas voladoras, el barrido permitirá que el centro de la aeronave se incline hacia arriba y hacia abajo cuando el ala se flexione. Esto crea una poderosa interacción entre el modo de período rápido (que solo se amortigua moderadamente en las alas voladoras) con el modo de flexión del ala, lo que resulta en aleteo.

¿Por qué barrer un ala?

En general, un diseñador de aeronaves permitirá solo el barrido necesario. El barrido del ala reduce la resistencia cuando la aeronave vuela con velocidad transónica o supersónica. Ahora los efectos de Mach dependen solo del componente de velocidad normal, por lo que son proporcionales al coseno del ángulo de barrido. Para el N9-M esto no fue un factor, sin embargo, el B-2 se beneficia con un mayor número de Mach de divergencia de arrastre .

En cuanto a las alas voladoras, el control longitudinal (por no hablar de la estabilidad) depende de poder mover el centro de sustentación hacia adelante y hacia atrás. Eso sería difícil de hacer con un ala de vuelo recto que no tiene un plano de cola o carnard separado: toda la sustentación se genera en la misma posición (longitudinal).

Por otro lado, si su ala voladora tiene barrido, puede obtener control longitudinal colocando superficies de control a diferentes distancias del centro del avión. El aumento de la sustentación en las partes exteriores del ala producirá un momento de morro hacia abajo y viceversa.

Un gran beneficio de las alas en flecha es la menor resistencia a alta velocidad. Cuando un avión con alas en flecha guiñada, está aumentando efectivamente el barrido del ala en la dirección de la guiñada y disminuyendo el barrido de la otra ala. Entonces, el ala opuesta a la dirección de guiñada tendrá menos barrido, por lo tanto, más resistencia, lo que contrarrestará la guiñada. Asimismo, la otra ala tendrá un mayor barrido y menos resistencia.

Por supuesto, puede tener demasiado barrido, de lo contrario, todos los aviones simplemente barrerían sus alas completamente y se verían como el X-24 . Su pregunta anterior aborda bien otras propiedades de las alas en flecha:

¿Por qué algunos aviones militares usan alas de barrido variable?

Ciertamente hay compensaciones, pero el área de superficie vertical sigue siendo un medio más efectivo para proporcionar estabilidad. El efecto sobre las alas en flecha de 1 grado de guiñada será menor que la fuerza creada por el fuselaje trasero (y el estabilizador vertical) que se encuentran en un ángulo de ataque efectivo de 1 grado. Por supuesto, las alas voladoras dependerán principalmente de esta resistencia diferencial para la estabilidad, pero usan cosas como frenos de concha para crear la resistencia necesaria para una mayor estabilidad y control.

Más barrido es mejor para la velocidad, pero no tan bueno si quieres ir más lento. Por lo tanto, el barrido limitará el rendimiento a baja velocidad y la mejora de la estabilidad también será menor a medida que disminuya la velocidad aerodinámica.