¿Por qué los winglets reducen la maniobrabilidad (de los aviones de combate)?

En esta respuesta , Ethan hace la siguiente declaración sobre los winglets en los aviones de combate:

[Winglets] reducen la maniobrabilidad, por lo que no se ve un winglet en un avión de combate.

Podría imaginar que agregar más peso al final de las alas aumenta la inercia y reduce la maniobrabilidad, pero no estoy seguro de si esta es la única razón.

¿Quizás también hay algún fenómeno aerodinámico en juego?

Respuestas (3)

Su observación sobre la inercia de balanceo es correcta: los Winglets agregan proporcionalmente más inercia de balanceo por su pequeño aumento en L/D, y este aumento existe solo para el rango más alto de coeficientes de sustentación. Con coeficientes de sustentación bajos (piense en crucero), cuando la resistencia inducida es baja, agregan más resistencia por fricción y reducen la L/D en general.

Hay tres aspectos de la maniobrabilidad:

  • ¿Qué tan rápido puedes acelerar para rodar? Aquí, la inercia adicional de los winglets reduce la aceleración del balanceo.
  • ¿Qué tan alta es la tasa de giro sostenida máxima? Esto está determinado por la elevación máxima a una tasa de caída cero, y aquí los winglets están ayudando. Especialmente cuando se monta en alas de baja relación de aspecto.
  • ¿Qué tan alta es la tasa de giro máxima? Ahora solo cuenta la elevación, y el aumento de la resistencia se compensa con una mayor tasa de caída. Una vez más, los winglets ayudan un poco, pero menos que con la velocidad de giro sostenida.

Ahora mire el tiempo que cualquier luchador gastará alrededor de 1 g (pista: algo cercano al 100 %) y cuánto se gasta en coeficientes de sustentación altos, como cuando gira de forma cerrada en combate aéreo. Winglets ayudaría en el turno (y creo que la opinión de Ethan es incorrecta), pero será una fuente de resistencia para el resto de la misión. Agregar winglets requeriría aumentar el volumen de combustible para evitar una reducción en el tiempo de vuelo y el alcance.

Normalmente, los winglets solo se usan en alas muy cargadas y con una relación de aspecto alta cuando su L/D con un coeficiente de sustentación bastante alto necesita aumentarse aún más. Las configuraciones altamente maniobrables están menos preocupadas por aumentos de un solo porcentaje en L/D para una pequeña parte del vuelo, y para mejorar el rendimiento de giro, aumentar la envergadura del ala es mucho más efectivo. Pero eso aumenta la inercia y la amortiguación del balanceo, por lo que los cazas usan alas de baja relación de aspecto y compensan su mayor resistencia en un giro con motores más potentes. Tenga en cuenta que la tendencia en las relaciones de aspecto de los cazas disminuyó con la mejora de la relación empuje-peso de los motores a reacción.

Esa es la razón por la que no se ven winglets en los aviones de combate: reducirían la L/D durante la mayor parte del vuelo. Para realizar la misma misión, el caza sin alerones se puede hacer más pequeño.

Pero no nos equivoquemos: las configuraciones de relación de aspecto baja sacan el máximo provecho de los winglets: fueron esenciales en el proyecto del vehículo de reentrada Hermes para darle suficiente L/D para una bengala exitosa.

¿Puede aclarar por qué los aviones de combate no tienen winglets pero los aviones de pasajeros sí? Parece que se aplicaría la misma analogía de pasar la mayor parte del vuelo en un crucero. Soy consciente de que hemos discutido esto antes .
@fooot: Los aviones de combate tienen menos carga alar y altitudes operativas más bajas que los aviones comerciales, por lo que vuelan con coeficientes de sustentación más bajos. Esto hace que la resistencia inducida sea menos pronunciada, por lo que hacer cualquier cosa para reducir la resistencia inducida tendrá menos beneficios. En otras palabras, transportan reservas de sustentación mucho más altas que los aviones de pasajeros que prefieren volar cerca de su rincón de ataúd. Si es necesario reducir la resistencia inducida, una envergadura de ala más grande sería de gran ayuda.
@PeterKämpf: pero la mayoría, si no todos, los planeadores modernos de alto rendimiento usan winglets.
@MartinArgerami: Sí, en las clases de competición restringidas tienen sentido. El resto es psicología.
@PeterKämpf: ¿realmente afirma que el ASW22, el ASH25, el JS-1, el ASH31, el Concordia, el ETA y otros tienen winglets debido a la "psicología"?
@MartinArgerami: Sí, lo hago. ¡Absolutamente! ¿ Alguna vez has volado en una competición de planeadores?
Sí, en Argentina, tal vez 10 en total entre regionales y nacionales. Nunca gané los nacionales, pero fui competitivo (gané varios regionales y varios días en los nacionales durante diferentes años).
@MartinArgerami: Entonces sabes cómo un piloto se ve afectado por una desventaja percibida . Los hace tomar riesgos desproporcionados para "compensar", y la mayoría de las veces terminan peor a pesar de que su planeador no tenía ninguna desventaja objetiva. La próxima vez, no comenzarán sin ese dispositivo maravilloso que hace que los demás sean mucho mejores, aunque la desventaja solo existió en su mente todo el tiempo. Yo lo llamo el "culto de los winglets".
Conozco perfectamente la mentalidad, porque durante más de 10 años estuve a cargo del sistema de handicap argentino. Y casi todos los pilotos sintieron que el sistema estaba en su contra. O, como solía decir un amigo (ahora en planeadores de club): "todos sabemos que el Jantar 2b y el ASW20 son básicamente parejos; que el ASW20 y el LS4 son bastante parejos; que el LS4 y el Jantar Std son parejos, y que el Jantar Std y el Cirrus Std son pares. En conclusión, el Jantar 2b y el Cirrus Std son pares".
Aún así, los planeadores modernos han mejorado mucho en el manejo; y tengo entendido que en su momento Masak realizó mediciones con diferentes tipos de winglets.

Los efectos de los winglets en la maniobrabilidad de las aeronaves no son sencillos, con diferentes efectos en varios parámetros de maniobrabilidad.

  • En el sentido más simple, los winglets tienen el efecto de aumentar la relación de aspecto del ala. Esto da como resultado una menor aceleración angular de balanceo ya que se debe superar un mayor momento de inercia antes de que comience el movimiento.

  • La tasa de balanceo (a la máxima desviación de los alerones) es ligeramente mayor con los alerones, ya que aumentan la carga de la envergadura local cerca de las puntas de las alas, lo que aumenta la eficacia de los alerones. Esto significa que se requieren deflexiones de alerón más pequeñas para un momento de balanceo dado; lo que significa menos arrastre para una velocidad de balanceo dada y una velocidad de balanceo máxima más alta.

  • A medida que los winglets aumentan la relación L/D, se mejora el rendimiento de ascenso.

Hay otras razones para la ausencia de winglets en los aviones de combate, tales como:

  • Los winglets están optimizados para una configuración particular de ala, velocidad de vuelo y perfil y, por lo general, son ineficaces e incluso pueden tener efectos adversos en el rendimiento de la aeronave en otras situaciones. Por ejemplo, el winglet aumenta la resistencia del perfil al tiempo que reduce la resistencia inducida; en condiciones en las que la resistencia del perfil es un factor que contribuye en gran medida a la resistencia total, esto es una desventaja.

  • Los winglets tendrán un efecto desastroso en vuelos supersónicos debido a la resistencia adicional.

  • Las finas aletas son propensas a problemas de aleteo.

  • Los Winglets se sumarán considerablemente a la firma del radar desde los ángulos más críticos.

Una propiedad desconocida de los winglets es que mejoran la estabilidad de guiñada, lo que en realidad puede reducir la resistencia, especialmente para los diseños que requieren amortiguación de guiñada.

Volviendo a los días del Sopwith Camel, los luchadores se benefician de la inestabilidad para girar con mayor eficacia. Si bien los cazas de hoy en día tienen computadoras para hacerlos más seguros, el Camel fue un gran desafío para volar.

Contrariamente a algunas opiniones, los winglets no son un "desastre de arrastre" y se usaron con mucho éxito en el diseño XB-70 (plegado) para aumentar el coeficiente de sustentación del ala delta, permitiéndole volar en un ángulo de ataque más bajo que ahorra arrastre. .

XB-70 podría no ser el mejor ejemplo aquí. Usó teorías aerodinámicas muy diferentes, esencialmente montando su propia onda de choque para elevarse a velocidades supersónicas.
Muestra el potencial para que incluso un bombardero supersónico / camión cisterna / avión de carga / pasajeros los use. Lo que me gusta de ellos en el XB-70 es que fueron diseñados para ser móviles en vuelo, lo que también ayuda al delta a generar más sustentación a velocidades más bajas al aumentar el área de sustentación cuando se gira de nuevo a la horizontal.
Pero persigo la idea de que una aleta sólida, incluso con su peso, puede ser más beneficiosa que un área de turbulencia que produce resistencia. ¡ Mira el atún de aleta azul ! Vea dónde están sus aletas, particularmente a lo largo de su área trasera (dorsal).
No estoy seguro de los pequeños picos, pero supongo que las aletas más grandes del atún de aleta azul se usan como la orza de un velero.
Lo que pasa con el XB-70 es que tener las puntas de las alas planas es la configuración más aerodinámica, tanto por la cantidad de sustentación como por la cantidad de resistencia creada durante el vuelo normal. A altas velocidades, las puntas de las alas cayeron para contener la alta presión de la onda de choque, que con el flujo paralelo a la parte inferior de la aeronave proporcionó una sustentación casi libre para la resistencia que ya se había creado.
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