¿Cuál es la razón de las malas características de baja velocidad de las alas en flecha?

Desventajas del barrido del ala

• La pendiente de la curva de sustentación se reduce por el coseno del ángulo de barrido de un cuarto de cuerda. Esto significa más ángulo de ataque para el despegue, lo que requiere una carrera de despegue más larga y un tren de aterrizaje más largo para evitar un golpe de cola en la rotación .
• Si gira el avión, las puntas de las alas en flecha hacia atrás bajan cuando el avión gira para despegar. Esto también podría impulsar el requisito de un tren de aterrizaje más largo.
• Los momentos de flexión en el ala se convertirán en momentos de torsión cuando cambie el ángulo de barrido. Y deberá cambiarlo al menos en la raíz del ala donde el ala se conecta al fuselaje. Esto se traduce en una estructura más pesada.
• Si el ángulo de barrido y la relación de aspecto son lo suficientemente grandes, el ala mostrará características desagradables de pérdida. La capa límite se barre hacia las puntas y provoca una separación más temprana cuando el ala entra en pérdida y el avión cabecea o gira sin control. Las vallas laterales ayudan, pero no pueden remediar esto por completo.
• El barrido del ala provoca un momento de balanceo inducido por guiñada , por lo que se necesita menos diedro. En aviones de ala alta esto requiere usar anhedral . Desafortunadamente, este momento de balanceo varía con el coeficiente de sustentación, por lo que su momento de balanceo inducido por la guiñada en un avión en barrido es menor que el ideal a alta velocidad y mayor a baja velocidad.
• 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.

En resumen, a la hora de elegir, el astuto diseñador de aviones evita barrer siempre que puede . Pero barrer un ala hacia atrás sigue siendo mejor que barrer hacia adelante .

Características de baja velocidad

Un perfil aerodinámico acelera inicialmente el aire que fluye sobre su superficie superior y lo desacelera nuevamente sobre su parte trasera . En las alas en flecha, esta aceleración-desaceleración solo afecta el componente de velocidad ortogonal, por lo que el componente de velocidad en la dirección de la envergadura no se ve afectado. Esta es la razón de la mayor capacidad de Mach de las alas en flecha, pero también hace que el aire fluya primero hacia adentro y luego hacia afuera mientras atraviesa la superficie superior del ala.

Además, la fricción desacelera el aire que fluye alrededor de un cuerpo, de modo que una capa de aire desacelerado rodea cada superficie de un avión. El grosor de esta capa límite aumenta con la longitud del flujo y, en un ala en flecha, esta fricción inicialmente afectará principalmente al componente de flujo ortogonal. Alrededor de la mitad de la cuerda, encontrará aire que ha sido desacelerado principalmente en su componente de velocidad ortogonal (ya que este componente estaba muy alto sobre la parte delantera) y ahora estará sujeto a una mayor desaceleración del componente ortogonal, de modo que solo el componente a lo largo de la envergadura quedar sobre la parte posterior de la capa límite. Ahora, esta capa límite solo fluirá en la dirección del tramo, de modo que se acumulará un aumento masivo de aire lento y de baja energía hacia las puntas.

Una capa límite gruesa causará una separación temprana del flujo , por lo que cuando se aumenta el ángulo de ataque, el flujo en las puntas de un ala en flecha hacia atrás se separará primero. Esto provocará una pérdida de sustentación y, dado que las puntas también son la parte trasera del ala, desplazará el centro aerodinámico hacia adelante. Esto, a su vez, hará que la aeronave se incline hacia arriba, lo que agrava la condición de entrada en pérdida. Si la separación ocurre asimétricamente, la aeronave rodará además de cabecear. En el caso del F-100, las superficies de la cola eran demasiado pequeñas para detener el cabeceo, por lo que una vez que la aeronave cruzaba la región de pérdida, cabeceaba más sin control y se detenía por completo.

Las aeronaves modernas con barrido hacia atrás tienen un limitador de ángulo de ataque que evitará que la aeronave vuele hacia la región de pérdida. Además, las vallas de las alas ayudan a mantener bajo control el flujo a lo largo de la envergadura, y los generadores de vórtices ayudan a energizar el flujo de manera que la separación temprana del flujo en las puntas de las alas se retrase lo suficiente como para evitar el cabeceo incontrolable. El F-100 carecía de todos esos remedios.

Vallas de ala en un MiG-17 ( fuente de la imagen )

Generadores de vórtice en un ala de Boeing 737 ( fuente de la imagen )

El barrido del ala mejora el rendimiento al retrasar las ondas de choque y acompañar el aumento de la resistencia aerodinámica causado por la compresibilidad del fluido a velocidades altas (casi sónicas). Sin embargo, hay algunas desventajas asociadas con el barrido del ala como:

• El barrido del ala reduce la pendiente de la curva de sustentación y el coeficiente máximo de sustentación del ala. Esto significa que el avión de ala en flecha debe volar a un AOA más alto para lograr la sustentación máxima.

Fuente: code7700.com

• El barrido del ala induce un flujo a lo largo del ala, lo que significa que el aire tiene que viajar una distancia más larga sobre el ala. Esto significa una capa límite más gruesa y más posibilidades de separación del flujo.

Fuente: boldmethod.com

• El flujo a lo largo de las alas en flecha aumenta el ángulo de ataque efectivo de los segmentos del ala en relación con su segmento delantero vecino; el resultado son los segmentos traseros de la pérdida de ala primero (pérdida de punta para alas en flecha hacia atrás y pérdida de raíz para alas en flecha hacia adelante). Si la presión de morro arriba resultante (debido al hecho de que el vector de sustentación se mueve hacia adelante) no se corrige, la aeronave se inclina más hacia arriba, extendiendo la región de pérdida, lo que genera un círculo vicioso que provoca la pérdida total de la aeronave.

Esta es la razón de la 'danza del sable' experimentada en el F-100 Super Sabre. Esto se ve agravado aún más por los ya altos ángulos de ataque durante el despegue y el aterrizaje, como ya se señaló.

Fuente: code7700.com

• Los momentos de flexión de las alas provocan torsión en el caso de las alas en flecha. Esto requiere fortalecer las alas o un diseño complicado. Esto afecta a las alas en flecha hacia adelante en mayor medida que las alas en flecha hacia atrás, y es una de las razones principales por las que las alas en flecha hacia adelante no se usan mucho.

• Una consideración importante debido al barrido del ala es la inversión del alerón a alta velocidad. En el caso de que los ángulos de giro en el sentido de la corriente resultantes de la flexión del ala y el momento de cabeceo del alerón se suman, resultando en una gran cantidad de giro del ala con el morro hacia abajo, lo que reduce la efectividad del alerón. Debido a esto, las alas en flecha hacia atrás tienen velocidades de inversión de alerón bajas (mientras que las alas en flecha hacia adelante tienen valores más altos). Este problema no se experimenta en alas con barrido constante.