¿Cuáles son los beneficios de un ala de pivote?

El ala de pivote, también llamada ala oblicua, es un tipo de diseño de ala que intenta minimizar la resistencia en todo el rango de velocidad de la aeronave.

A bajas velocidades, la principal preocupación es la resistencia inducida, que puede reducirse aumentando la relación de aspecto. Es por eso que los aviones de baja velocidad como los planeadores tienen alas muy largas y delgadas.

A medida que aumenta la velocidad, la resistencia inducida disminuye rápidamente y la resistencia de onda llega a dominar a velocidades supersónicas. Esta es la razón por la que los aviones supersónicos tienen alas muy barridas con relaciones de aspecto muy pequeñas.

Una forma de reducir la resistencia a altas velocidades es barrer el ala. La componente de velocidad perpendicular al ala se reduce, lo que reduce la resistencia.

El ala delta es un ala muy en flecha utilizada en aviones de combate supersónicos. Un buen ejemplo es el Eurofighter Typhoon , que es un delta sin cola. El ala delta proporciona un excelente rendimiento supersónico y tiene un alto ángulo de pérdida. Sin embargo, el ala 'sangra' energía rápidamente durante los giros y requiere altos ángulos de despegue y aterrizaje.

" Dibujo lineal del Eurofighter Typhoon " por Inductiveload - Trabajo propio. Con licencia de dominio público a través de Commons .

El ala trapezoidal es una versión del ala de alta velocidad con una pequeña relación de aspecto. El ejemplo más famoso del uso del ala trapezoidal fue el Lockheed F-104 Starfighter , que tenía un excelente rendimiento a alta velocidad. Sin embargo, la aeronave tenía altas velocidades de despegue y aterrizaje y un rendimiento comparativamente menor a baja velocidad.

" Lockheed F-104C Starfighter " por Kaboldy - Trabajo propio. Licenciado bajo GFDL a través de Commons .

Casi todas las alas en flecha en uso se mueven hacia atrás. Una desventaja de este tipo de ala es que el flujo de aire va desde la raíz hasta la punta y, como consecuencia, los alerones (externos) se paran antes que la parte interna del ala y esto da como resultado la pérdida de control de alabeo en ángulos de ataque altos. Esto se puede prevenir moviendo el ala hacia adelante. Sin embargo, la tensión de flexión en la raíz del ala aumenta debido a la torsión aeroelástica.

fuente: NASA

El problema con las alas de barrido fijo es que lo que es eficiente en un régimen no lo será en el otro. Una forma de reducir la resistencia en todas las velocidades es cambiar el barrido y la relación de aspecto del ala.

Las alas de barrido variable cambian la relación de aspecto girando una parte del ala.

" Tres F-111 con diferentes configuraciones de alas " por Jason B de Australia - 3 Configs. Con licencia CC BY 2.0 a través de Commons .

El ala de pivote es una versión extrema del ala en flecha donde se gira todo el ala. Hasta el momento, solo se ha implementado en un avión, el NASA SD-1 .

" AD-1 ObliqueWing 60deg 19800701 " de la NASA - http://www1.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/AD-1/HTML/ECN-15846.html . Con licencia de dominio público a través de Commons .

La principal ventaja aerodinámica del ala oblicua es que al ajustar el barrido progresivamente, las aeronaves pueden optimizarse para reducir la resistencia aerodinámica en una amplia gama de números de Mach. Además, el AD-1 fue diseñado con alas elípticas para minimizar la resistencia inducida.

Sin embargo, en el lado negativo, a medida que se gira todo el ala, un lado del ala se barre hacia adelante, mientras que el otro lado se barre hacia atrás. Esto significa que sus características de estancamiento son completamente diferentes. En un lado (lado de barrido hacia adelante), la región interna se detiene primero, mientras que en el otro lado es la opuesta. Esto dificulta el control de la aeronave. Un proyecto de seguimiento de AD-1, Northrop Grumman Switchblade fue cancelado por dificultades de control.

La aeronave también exhibió efectos de acoplamiento aeroelásticos y de cabeceo y balanceo que afectaron negativamente las cualidades de manejo de la aeronave en más de 45 grados de barrido. Además, la aeronave exhibió requisitos de compensación inusuales y acoplamiento inercial. Por ejemplo, se informó que el AD-1 requería alrededor de 10° de alabeo para compensar la aeronave sin deslizamiento lateral con un barrido de ala de 60°.

Aunque el avión de ala pivote tenía excelentes características aerodinámicas, sus características de control deficientes e inusuales impidieron un mayor desarrollo.

Tanto el ala de pivote como el ala de barrido variable disfrutan de los mismos beneficios que cualquier diseño de ala no variable, que es la capacidad de ajustar el ángulo de barrido y la relación de aspecto del ala y el grosor relativo del perfil aerodinámico. Todo lo cual ayuda a optimizar el ala para diferentes velocidades aerodinámicas. Cuando se vuela a velocidades bajas, una relación de aspecto alta mantiene baja la resistencia inducida, que ocupa la mayor parte de la resistencia. Además, el mayor grosor relativo le da al avión la capacidad de volar en ángulos de ataque relativamente bajos, lo que ayuda al aterrizar o despegar y mantiene baja la resistencia. A velocidades más altas, especialmente cuando se acerca a Mach 1, la resistencia de la onda ocupa la mayor parte de la resistencia. Para reducir la resistencia de las olas, se requieren alas delgadas con una relación de aspecto baja.

La relación de aspecto es la relación entre la envergadura de la aeronave y el área del ala. La envergadura cambia con el ángulo de barrido en un ala de barrido variable o de pivote, mientras que el área del ala permanece igual. Esto provoca la menor relación de aspecto del ala en flecha.

El espesor relativo es la relación entre el espesor de la superficie aerodinámica y la línea de cuerda.

Para obtener la línea de cuerda, mida desde el borde delantero hasta el borde trasero del ala. Cuando haga esto en la configuración de ala en flecha, descubrirá que la línea de cuerda es más larga que cuando el ala está recta. Por lo tanto, la relación de espesor es menor cuando se barre el ala.

Las alas trapezoidales como las del F-104 Starfighter tenían muy malas características a baja velocidad y no podían contener combustible porque eran muy delgadas. Para lograr suficiente sustentación, se necesitaban altos ángulos de ataque, así como una alta velocidad de aterrizaje y despegue. Sin embargo, a altas velocidades, estas alas tenían un arrastre muy bajo, lo que permitía al Starfighter volar Mach 2 a pesar de que su motor era relativamente débil en comparación con los modernos.

el ala deltalogra la baja resistencia supersónica eligiendo un ángulo de barrido más alto. Es fácil de construir y los tanques de combustible se pueden colocar dentro del ala. El ala delta tiene un ángulo de pérdida muy alto, por lo que son posibles altos coeficientes de sustentación para vuelos lentos o giros cerrados. Esto se debe a que los vórtices a lo largo del borde de ataque de las alas crean sustentación adicional en ángulos de ataque altos. Sin embargo, eso tiene el costo de una resistencia extremadamente alta. Dependiendo del ángulo de barrido, se puede elegir para qué velocidad se optimiza el ala. Los cazas de hoy utilizan todo tipo de trucos para adaptar el ala a la velocidad deseada. Un ejemplo es el uso de tracas. Los strakes son básicamente alas con un ángulo de barrido más alto que el resto del ala colocadas frente al ala real para crear los vórtices beneficiosos sin tener que comprometer una relación de aspecto baja.

La principal ventaja de un ala de pivote en comparación con un ala en flecha , que se me ocurra, es la menor resistencia aerodinámica del ala de pivote cuando se barren las alas. Mientras que el momento de cabeceo cambia con el ángulo de barrido para los diseños de ala de barrido variable, sigue siendo el mismo para los diseños de ala de pivote.

En un diseño típico de ala de barrido variable, el centro aerodinámico se mueve hacia atrás cuando las alas se barren hacia atrás. Esto se debe a que la mayor parte de la superficie del ala se mueve hacia atrás cuando aumenta el ángulo de barrido del ala. El centro aerodinámico es el punto sobre el que se supone que actúan todas las fuerzas aerodinámicas de la aeronave. Entonces, cuando el centro aerodinámico del ala retrocede, la distancia entre el centro de gravedad y el centro aerodinámico aumentará (para diseños de aeronaves estables). Volar supersónico mueve el centro aerodinámico aún más hacia la cola.

El par alrededor del eje de cabeceo (momento de cabeceo) que actúa sobre la aeronave se puede calcular multiplicando la fuerza total sobre el eje vertical (básicamente sustentación) por la distancia entre el centro aerodinámico y el centro de gravedad.

Para compensar la mayor magnitud del momento de cabeceo , es necesario aplicar un ajuste más positivo cuando las alas se mueven hacia atrás para mantener el vuelo nivelado o incluso para cabecear. Más recorte resulta en más arrastre .

La diferencia en el momento de cabeceo es la razón por la que muchos de los primeros diseños de alas de barrido variable tenían problemas de estabilidad longitudinal.

Para compensar la diferencia en el momento de cabeceo, el F-14, por ejemplo, introdujo pequeñas superficies de elevación retráctiles frente a las alas en sus versiones posteriores. Estos se extenderían cuando se movieran las alas para mover el centro aerodinámico hacia adelante y reducir la resistencia aerodinámica.

En un diseño de ala pivotante, el centro aerodinámico permanece exactamente igual sin importar el ángulo de barrido de las alas.

Cuando se gira, el centro aerodinámico de un ala se moverá una cierta distancia hacia atrás y el centro aerodinámico de la otra ala se moverá una distancia igual hacia el frente. Por lo tanto, el centro aerodinámico de todo el ala no se moverá cuando el ala gire y el momento de cabeceo permanezca igual .

No se requiere compensación adicional en un ala de pivote para cambiar el ángulo de barrido y, por lo tanto, no hay arrastre de compensación adicional . Sin embargo, un ala de pivote tiene muchos otros problemas aerodinámicos importantes, como se ha descrito en otras respuestas y, por lo tanto, no es realmente práctico para las aeronaves en servicio operativo.

Creo que la principal diferencia entre un ala en flecha y una recta es que el ala recta tiene una velocidad de aterrizaje más baja, mientras que el ala en flecha puede volar más cerca de la velocidad del sonido sin problemas de compresibilidad. Entonces, un ala de pivote brinda el beneficio de ambos, con la desventaja de que el mecanismo de pivote pesa más.

Peter Garrison explica los beneficios de un ala en flecha aquí: http://www.flyingmag.com/why-are-wings-swept