¿Por qué el borde de ataque debe ser romo en superficies aerodinámicas subsónicas de baja velocidad?

Cuando se utiliza un perfil aerodinámico con un borde de ataque afilado en régimen subsónico, debe adaptar el ángulo de ataque para que el punto de estancamiento se produzca justo en el borde afilado.

En cada condición de vuelo debe haber un AoA que logre esto. Mayor AoA, y el punto de estancamiento es demasiado bajo. A AoA bajo, y el punto de estancamiento es demasiado alto. Sin embargo, las condiciones de vuelo cambian con frecuencia, por lo que el AoA requerido también cambia dinámicamente. Dado que AoA también impulsa la sustentación y la sustentación es la prioridad en la mente de un piloto (después de todo, quiere seguir volando), el punto de estancamiento solo ocasionalmente coincidirá con el borde de ataque.

Durante el vuelo, el AoA a menudo no alcanzará el punto de estancamiento , digamos que con un AoA demasiado alto, la separación se produciría por debajo del borde de ataque (en los "intrados"). Esta es la única buena ilustración que pude encontrar:

El punto de estancamiento está en la punta de la única línea gris que se detiene justo en la placa negra. Básicamente, todo el flujo entrante entre estos bordes de ataque y el punto de estancamiento (lamentablemente, ninguna línea muestra esto en la imagen) seguirá esta trayectoria:

• Entrando a alta velocidad en el perfil aerodinámico, por debajo del borde de ataque, yendo hacia el punto de estancamiento, pero apunta un poco más arriba.
• El punto de estancamiento es el punto de mayor presión, por lo que el flujo entrante se ralentiza
• Llega un punto en el que la desaceleración es suficiente para revertir el flujo que ahora se dispara a lo largo de la superficie hacia el borde de ataque, ahora impulsado por la presión del punto de estancamiento.
• Al llegar al borde de ataque desde abajo, el flujo debe dar una vuelta en U alrededor del borde de ataque para seguir la forma del ala y fluir hacia los "extradós" y continuar con su vida.

Ahí radica el problema: cuando finalmente llega al borde de ataque, el aire tiene una velocidad distinta de cero (la velocidad cero solo ocurre en el punto de estancamiento, del cual solo hay uno), pero debe revertirlo instantáneamente. La física dice que no, y obtienes un gran vórtice de borde de ataque para suavizar el movimiento. Desafortunadamente, eso también se llama burbuja de separación de flujo, que puede convertirse en un estancamiento.

Este es:

• malo para el rendimiento (arrastre)
• malo para la seguridad (bloqueable)
• malo para la comodidad (vibración de los remolinos)
• malo para la estructura (fatiga por vibración)

¿Por qué solo ocurre en vuelo subsónico?

A velocidades supersónicas, la información no puede viajar de regreso en el flujo usando el mismo truco del gradiente de presión, una vez que el aire está en el intradós/extradós, permanece allí y no puede retroceder hacia el otro lado. Por lo tanto, no es posible ninguna 'adaptación', independientemente del AoA.

¿Por qué usar un borde de ataque redondeado para remediar esto en subsónico?

Con un borde redondeado, el giro en U no es tan brusco, en realidad es manejable para el aire. Esto significa que no siempre tendrá separación de flujo, por lo que estará seguro. Cuanto más redondo, más fácil será el rango de AoA para mantenerse "adaptado". Este gif animado muestra muy bien cómo el punto de estancamiento puede moverse alrededor de la punta redondeada evitando así la separación:

^{Fuente: UNIVERSIDAD DE GÉNOVA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AMBIENTAL PLANO IRROTACIONAL FLUJOS DE UN FLUIDO INVISCIDO}

TL; DR Es posible volar subsónico con un borde de ataque agudo, pero menos seguro y de menor rendimiento. La clave es la adaptación de AoA.

La respuesta breve es que un borde de ataque romo tolera un ángulo de ataque más amplio que un borde de ataque afilado. Haciéndolo aún más simple de entender, hace que el avión sea más indulgente para volar que un borde de ataque afilado.

Estoy seguro de que alguien dará una explicación más completa consistente con lo que he dicho aquí. Solo pensé que sería útil dar una respuesta rápida.

No hay ningún requisito para un borde de ataque romo. Algunas superficies aerodinámicas subsónicas de baja velocidad, como el Wainfan Facetmobile, tienen bordes afilados. El diseño del perfil aerodinámico tiene muchas ventajas y desventajas, sustentación/arrastre, características de pérdida predecibles, etc.