¿Por qué el ángulo de onda de Mach debe ser menor que el ángulo de barrido del ala?

TLDR; El flujo perpendicular subsónico sobre el borde delantero del ala le permite optimizar el ala para el despegue y aterrizaje subsónico.

¡No te equivoques! ¡El flujo en sí sigue siendo supersónico y aún tendrás que lidiar con las ondas de choque en tu ala! No tendrá (o al menos es muy indeseable tener una fuerte onda de choque frente a la aeronave) condiciones subsónicas sobre el ala. Sin embargo, el flujo perpendicular no lo es y eso es lo que cuenta para el borde de ataque.

El borde de ataque del ala debe ser lo más afilado posible en un régimen supersónico. Las curvas provocan un fuerte arrastre a medida que se forman múltiples ondas de choque infinitesimales y se combinan en una grande. (En teoría, convergería a la compresión adiabática, lo cual no es del todo cierto para el caso real). Sin embargo, un avión tiene que despegar en vuelo subsónico y si no tienes un TWR> 1 necesitarás tu dulce dulce levante, y para este caso, un borde afilado es increíblemente desafortunado ya que creará un flujo de aire muy turbulento o una separación aún peor debido al flujo de abajo hacia arriba sobre el borde frontal. Por lo tanto, si el flujo perpendicular es subsónico, puede usar un borde frontal redondeado que lo ayude con el despegue y el aterrizaje.

Si quieres un avión muy rápido (p. ej., Ma > 3), tendrás problemas, ya que las alas en flecha no te ayudarán con TO y LDG. Por lo tanto, algunos cazas tienen alas ajustables, pero eso es una pesadilla por razones de seguridad. En la aviación civil eso no va a suceder pronto. -> Tendrás que considerar todos tus regímenes durante una misión. Un avión que es súper eficiente en Ma> 5 con sus motores SCRAMJET que no pueden TO por sí solos es bastante inútil. Lo mismo con las alas.

Respuesta corta: Empuje del borde de ataque .

Respuesta un poco más larga: el flujo subsónico tiene la capacidad de negociar el borde de ataque, lo que da como resultado un pico de succión que falta en el flujo supersónico. El barrido permite mantener ese patrón de flujo mientras el componente de velocidad del flujo perpendicular al borde de ataque sea subsónico.

Este pico de succión, que actúa sobre la superficie orientada hacia adelante del borde de ataque, empuja el ala hacia adelante, de ahí la expresión "empuje del borde de ataque". Esto falta una vez que el componente de velocidad perpendicular excede Mach 1, exponiendo el área del ala que mira hacia adelante al aumento de presión detrás del impacto.

Esta característica se puede maximizar con una inclinación cónica , una inclinación de la parte más delantera del perfil aerodinámico que aumenta con la envergadura, de modo que el ala exterior delantera tiene una superficie cónica. Esto se introdujo con el F-106 y se usa en muchos diseños supersónicos.

F-106 en un ángulo con el sol que muestra muy bien el borde de ataque combado ( fuente de la imagen )

Como se explica en otra respuesta, mantener el ala dentro del cono de choque mantiene el patrón subsónico de flujo lateral que hace que el aire fluya hacia arriba alrededor del borde de ataque. Esto le permite utilizar un borde de ataque redondeado, que también funciona bien a bajas velocidades.

Pero permitir que el choque se encuentre con el borde de ataque no es del todo malo. Esta es la condición en la que opera el waverider, el North American XB-70 Valkyrie con capacidad Mach 3 es quizás el ejemplo más notable. El truco consiste en utilizar la presión del amortiguador en la parte inferior para crear sustentación, pero evitarla en la superficie superior.