¿Por qué las alas delta no se usan comúnmente en aviones comerciales?

Hay un hilo en airliners.net sobre el mismo tema.

Uno de los aspectos más destacados y útiles del ala delta es el hecho de que aumenta el número de Mach crítico de un avión (la velocidad a la que parte del aire que pasa sobre cualquier parte de un avión, generalmente el ala, alcanza Mach 1,0).

Al aumentar el número de Mach crítico, hace que el vuelo supersónico sea mucho más factible en alas delta que en alas convencionales.

Las alas delta son particularmente felices incluso con un AoA (ángulo de ataque) alto. Esto se debe a la sustentación de reacción generada por el ala y al vórtice creado en el borde de ataque del ala. Por lo tanto, los aviones con alas delta tienen una tolerancia mucho mayor a la entrada en pérdida. Esto hace que sea más fácil alcanzar una mayor velocidad vertical, también conocida como "velocidad de ascenso" de forma segura.

Pero por otro lado:

Una de las desventajas de los deltas es que crean más resistencia, debido a la mayor área de superficie, pero tienen un volumen interno más grande (para combustible, por ejemplo), lo que podría conducir a un fuselaje más pequeño o más espacio en el fuselaje para otras cosas. Otra desventaja es la mayor velocidad de aterrizaje y despegue.

El último punto es particularmente importante. La ya pequeña cantidad de aeropuertos utilizables del Concorde se redujo porque las pistas debían ser lo suficientemente largas para adaptarse a las velocidades de aterrizaje de 160 KIAS (a modo de comparación, los aviones de pasajeros típicos basados ​​​​en turboventiladores aterrizan a 130-140 KIAS).

Como resultado de las velocidades más altas de despegue/aterrizaje, el costo de mantenimiento de componentes vitales como los frenos y las llantas es mayor. Además, las altas velocidades de aterrizaje pueden incluso provocar una mayor tensión en la estructura del avión. Entonces, indirectamente, las alas delta contribuyen a un mayor costo de mantenimiento.

Otras desventajas de las alas delta que se me ocurren es la falta de un sistema de flaps/slats. Las alas delta no requieren flaps, ya que simplemente pueden reducir su velocidad aerodinámica aumentando el AoA, pero la falta de flaps reduce su eficiencia subsónica y aumenta la distancia de despegue y la velocidad de despegue. Por ejemplo, las alas delta del Concorde producían muy poca sustentación durante el despegue antes de la rotación, lo que requería altas velocidades de despegue de casi 220 nudos .

Como respuesta a su segunda pregunta, no pude encontrar nada sobre los reglamentos relacionados con el uso de alas delta en los aviones.

En general, las alas delta funcionan bien para fines de nicho, como los aviones supersónicos, pero sus desventajas y la mala economía operativa las hacen poco prácticas para vuelos subsónicos.

Sin embargo, como puede ver aquí, el Boeing Sonic Cruiser, ahora desechado, intentó sacar lo mejor de ambos mundos al combinar un ala convencional con un ala delta, para formar un diseño de ala ancha, "delta con manivela".

En general, tener el menor barrido posible es la mejor manera de lograr una gran sustentación con una baja resistencia. Además, independientemente de la velocidad de vuelo, un borde de ataque subsónico brinda la mejor relación sustentación/resistencia. Si el barrido del borde de ataque es más alto que el ángulo del cono de Mach en el flujo supersónico, el flujo alrededor del borde de ataque sigue siendo como en el flujo subsónico y esto crea succión, lo que reduce la presión de arrastre. Si la velocidad de crucero es Mach 2, el barrido debe ser mayor de 60 grados, y con ese barrido la sustentación a baja velocidad sufriría. El ascensor desciende con el coseno del ángulo de barrido en el mismo ángulo de ataque.
Además, con un ángulo de ataque alto, el ángulo de barrido alto produce un vórtice en la superficie superior que reduce la presión (= aumenta la sustentación) y evita la separación del flujo (= permite un ángulo de ataque más alto). Tener más cuerda interna ayuda a utilizar mejor esta sustentación y le brinda más espacio para el larguero del ala y el combustible, incluso con el bajo espesor relativo que requiere el flujo supersónico.

El ala de un avión subsónico solo necesita un barrido moderado para reducir los efectos de Mach incluso con superficies aerodinámicas relativamente gruesas (14 % t/c frente a 4 % a 6 % para superficies aerodinámicas supersónicas), lo que le brinda mucho volumen interno para combustible, el larguero del ala y alto -dispositivos de elevación. Ir a un ala delta ayudaría con la sensibilidad a las ráfagas en vuelos de bajo nivel (esa es la razón por la que se ven alas delta en aviones subsónicos), pero aumentaría el área de superficie y, en consecuencia, la fricción.

FAR Parte 25 sería la regulación relevante, y (afortunadamente) deja al solicitante cómo se logra la conformidad. La razón por la que no ves un ala delta en aviones subsónicos es puramente técnica.

Si lo considera todo junto, el ala en voladizo moderadamente inclinada hacia atrás con dispositivos de gran sustentación es la mejor forma de volar a Mach 0,8, y el ala delta es la mejor para volar a Mach 2.

El principal impulsor del diseño del ala de un avión comercial es la eficiencia y, en segundo lugar, la velocidad. Si bien las alas delta son buenas a altas velocidades, no son muy eficientes. Además, si bien un avión de pasajeros ciertamente debe ser maniobrable, no es necesario que "haga un giro de barril" o que los giros de 9G enciendan un avión de combate.

Se mencionó que las alas delta tienen una gran superficie. Esto ayuda a distribuir más el peso de la aeronave, lo que conduce a una carga alar baja . Este es un factor en la mayor maniobrabilidad del ala delta. Compare la carga alar del F-15 a 73,1 lb/ft ² con la carga alar de un 737-800 a 98,7 lb/ft ² . El ala delta permite que el F-15 tenga una carga alar más baja y, por lo tanto, mucha más maniobrabilidad. El diseño también mantiene esta gran área del ala en una envergadura baja, lo que significa que las maniobras de alta G causan menos tensión en el ala. Los aviones de pasajeros tienen mucha maniobrabilidad con su configuración actual.

Este rendimiento de gran superficie y alta velocidad se produce a expensas de la eficiencia. La relación sustentación/resistencia (L/D) de un F-15 es de alrededor de 10, mientras que los aviones comerciales superan los 16 (consulte esta tabla para ver algunos ejemplos). Esto muestra la enorme ventaja que tiene un ala no delta a velocidades subsónicas. La aerodinámica moderna ha permitido que los aviones comerciales alcancen altas velocidades subsónicas (Mach 0,8-0,9) sin dejar de ser muy eficientes. Si bien los aviones de combate utilizan el reabastecimiento de combustible aéreo para compensar la quema de más combustible, esto sería poco realista para un avión comercial.

El rendimiento a baja velocidad también es un factor. Ambas alas pueden usar flaps y slats, pero las velocidades de aterrizaje de los aviones de combate son generalmente más altas que las de los aviones comerciales. Al ser más adecuadas para vuelos de alta velocidad, las alas delta son menos efectivas a bajas velocidades.

En cuanto al mantenimiento, hay menos diferencias. Dado que la envergadura sería menor, esto pondría menos carga en las alas. La reducción de la carga podría convertirse en una ventaja de mantenimiento, pero hay muchos más factores que determinan el costo de mantenimiento.