¿Las alas de caja sufren de arrastre inducido de la misma manera que las alas normales?

El ala de caja solo es mejor cuando compara alas con una envergadura idéntica. Las dos alas de un ala de caja funcionan en diferentes planos de Treffz , por lo que la corriente descendente se distribuye verticalmente. La diferencia en la resistencia inducida a un solo ala no es grande, solo un pequeño porcentaje. El arrastre por fricción es mayor (ver más abajo), al igual que la masa estructural, por lo que el ala de la caja necesita generar más sustentación. Esto hace que la resistencia inducida de un ala de caja sea mayor que la de un ala simple.

¿Qué es la resistencia inducida , de todos modos? Es la consecuencia de crear sustentación en un tramo limitado. El ala crea sustentación al desviar el aire hacia abajo. Esto sucede gradualmente sobre la cuerda del ala y crea una fuerza de reacción ortogonalmente a la velocidad local del aire. Esto significa que la fuerza de reacción apunta hacia arriba y ligeramente hacia atrás. ¡Este componente hacia atrás es arrastre inducido! Las puntas de las alas no están involucradas y no causan arrastre inducido. Levante la creación es.

Si vuela rápido, hay una gran cantidad de masa de aire que pasa por el ala por unidad de tiempo, por lo que necesita desviar el aire solo un poco. Su arrastre inducido es pequeño. Lo mismo ocurre con un tramo grande: hay más aire que se puede desviar, por lo que la resistencia inducida es pequeña.

Un ala de caja necesita dos alas delgadas por lado, que tendrán una cuerda más pequeña que un ala simple de la misma superficie. Entonces, su número de Reynolds es más pequeño y su arrastre por fricción es mayor. Además, el larguero del ala es menos grueso y tendrá que ser más pesado para soportar la misma sustentación.

Si elimina la restricción de mantener la misma envergadura, el ala única óptima puede permitirse tener más envergadura (debido a su mejor eficiencia estructural), y desaparece la ventaja del ala de caja. Y una vez que observa la imagen completa y agrega masa estructural, el ala de caja nunca tuvo esta ventaja en primer lugar.

Sí, pero ¿qué pasa con la sinergia?

Synergy es un diseño inteligente con algunas ventajas, pero no puede engañar a la física. Estas son las ventajas:

• El puntal de empuje mantiene la estructura del avión libre de estela turbulenta, por lo que se puede mantener más área en flujo laminar.
• El puntal de empuje aspira el aire del fuselaje trasero, evitando efectivamente la separación.
• Los dos brazos de cola rechonchos y las aletas brindan una gran protección para el área de la hélice en el suelo.
• El diseño compacto mantiene pequeño el efecto estabilizador de la hélice, por lo que la maniobrabilidad no sufre mucho.
• El uso de materiales compuestos y tecnologías de fuselaje de planeadores reduce la fricción.
• El motor diesel consume combustible para aviones más barato y es más eficiente en combustible que un motor de gasolina.

Tenga en cuenta que no mencioné el diseño del ala de la caja.

Aquí están las desventajas:

• El barrido del ala en un avión de hélice se ve genial, pero aumenta la resistencia, porque el ala debe ser más grande para crear la misma sustentación.
• En total, esta configuración tiene cuatro colas verticales, cada una de ellas con su propio arrastre de interferencia y una cuerda corta que, nuevamente, aumenta el arrastre sobre una sola cola vertical comparable.
• La cola horizontal estirada también es menos efectiva que una sola superficie más pequeña con más cuerda y más distancia desde el centro de gravedad.
• El diseño compacto proporciona poca amortiguación de cabeceo o guiñada. Me pregunto cuáles son las cualidades de conducción con tiempo racheado.

Esperaría que un diseño más convencional en la línea del fs-28 fuera aún más eficiente.

Akaflieg Stuttgart fs-28 en vuelo ( fuente de la imagen )

P: ¿Las alas de caja sufren arrastre inducido de la misma manera que las alas normales?

R: Sí y no.Los aviones Box Wing sufrirán la resistencia inducida al igual que cualquier otro avión, si son vehículos más pesados ​​que el aire y usan sus alas para volar. El arrastre inducido es una función de la carga de tramo finito y moderado por varias formas de mejorar la eficiencia del diseño en una carga de tramo dada. Por lo tanto, la cantidad de resistencia y la forma en que se crea y evita difieren para un boxwing y un monoplano del mismo tramo. Hoy en día, este tema de arrastre inducido incluye definiciones completamente diferentes a las que se enseñaron en las referencias seminales sobre el tema. Incluso si uno está hablando de lo mismo, el tema escuchará argumentos de dos campos diferentes: aquellos que se adhieren a las matemáticas representativas y aquellos que se enfocan en la física real no cartesiana, que no está en los libros de texto, caso por caso. . Eso'

El trabajo de un ala es empujar y jalar eficientemente el aire hacia abajo a medida que avanza. Esa acción provoca tanto una reacción newtoniana como un diferencial de presión de Bernoulli, lo que da como resultado una sustentación.

Hacer que la elevación sea así hace que el aire cercano también se vea afectado, como resultado secundario dependiente del tiempo. Tiene que 'caer en el canal descendente de aire' que las alas desplazaron hacia abajo.

Este movimiento secundario provoca movimientos de rotación (completamente inevitables) en la zona de "estela" entre el aire movido directamente por las alas y el aire estacionario cercano, lo que involucra más masa de aire de la que el avión necesita para moverse solo para obtener la sustentación que necesita. (La diferencia de impulso es literalmente la resistencia inducida, aunque generalmente la enseñamos de maneras más relacionadas con la forma en que se visualiza y calcula la resistencia inducida en 2-D. Otras respuestas publicadas aquí ilustran esto en términos convencionales).

El vórtice de arrastre y estela inducido NO PUEDE eliminarse para un sistema de alas elevables de ningún tipo. Sin embargo, la mayoría de los diseños de alas de aviones permiten que suceda algo más que aumenta considerablemente el costo de sustentación con una envergadura finita: permiten que las altas presiones debajo del ala estén 'demasiado cerca' de las bajas presiones sobre el ala para la cantidad de diferencia de presión que se ha desarrollado en vuelo. Si existe una alta presión diferencial en la punta de un ala, se formará allí un fuerte vórtice similar a un tornado.

Permitir que se forme un gradiente fuerte entre la presión baja y la presión alta hará que el aire se mueva hacia la presión baja a una velocidad alta, si es posible. La resistencia aumenta exponencialmente con las velocidades impartidas al aire, por lo que los diseñadores utilizan una variedad de enfoques para evitar que esta ecualización ocurra rápidamente. Cuanto más lento sucede, menos energía cinética imparte el avión al aire.

Aquí es donde Boxwings tiene una forma totalmente diferente de reducir la resistencia inducida, en comparación con un ala normal: levantan un muro entre la baja presión sobre el ala y la presión más alta en el resto. El 'muro' puede ser más alto que un ala, porque tiene un ala arriba para ayudar a resistir las fuerzas que lo empujan desde el costado. En esa conexión del ala superior, la superficie vertical en forma de pared de un boxwing también se encuentra entre la presión más alta debajo del ala y la presión más baja en el resto.

Si un diseñador hace un buen trabajo con esta idea (muchos no lo hacen), tanto las superficies del ala del biplano como las superficies verticales del sistema de alas en caja moderarán la velocidad de los flujos de aire inducidos por gradientes al actuar contra los flujos no deseados en el espacio tridimensional. Se vuelven más efectivos en esto con un mayor espacio vertical.

La forma más fácil y efectiva de reducir la resistencia inducida es simplemente aumentar la envergadura o reducir el peso del vehículo. A medida que un ala se hace más larga, la porción de sustentación que cada unidad del ala necesita hacer se reduce, lo que significa que tendrá un diferencial de presión más bajo entre las superficies superior e inferior. Las mejores prácticas exigen que este diferencial se minimice en la punta, por lo que el gradiente se debilita. El resultado entonces es que un gradiente de presión más débil y una distancia más larga entre las presiones baja y alta mantendrán bajas las velocidades de ecualización.

Sin embargo, a medida que un avión se vuelve más pesado o más rápido, este enfoque se vuelve primero muy costoso y luego imposible. Las limitaciones de resistencia de los materiales imponen límites definidos a la envergadura de las aeronaves convencionales.

Sorprendentemente, las alas de caja no les va mejor... tal vez peor. Lo que parece ser una ventaja estructural en realidad simplemente concentra las fuerzas de flexión, generadas por cada ala, en las esquinas de la caja. Hacerlos lo suficientemente fuertes rápidamente se vuelve excesivamente pesado. Por lo tanto, un avión de ala cuadrada debería, como un biplano, tener una envergadura más corta que un monoplano de resistencia inducida equivalente. Su eficiencia de envergadura da mejores frutos entre los diseños de envergadura corta que donde se puede aumentar la envergadura.

Se podría pensar que esta ventaja daría frutos entonces indirectamente, a través de la velocidad. Cuanto más rápido vuele un avión, para una carga de tramo dada, menos resistencia inducida generará. De hecho, a altas velocidades aerodinámicas indicadas, la resistencia inducida se convierte en un pequeño componente de la resistencia total. Sin embargo, otros aspectos de los diseños de alas de caja parecen haber impedido las soluciones de alas de caja de alta velocidad; en particular la estabilidad; y "arrastre de interferencia".

En un diseño de ala de caja, hay un conjunto delantero de alas elevadoras y un conjunto trasero de alas elevadoras . En vuelo de alta velocidad, esta configuración no puede responder de manera tan estable o rápida a ciertas condiciones como un ala con una cola (que se eleva hacia abajo).

Cuando se configura como una disposición de alas de elevación en tándem sin tal estabilizador, como es típico de las versiones modernas, las alas de caja tienen que equilibrarse en su centro combinado de elevación hacia arriba , en lugar de adelantarse como lo hacen los aviones convencionales, gracias a la influencia estabilizadora de una cola empujando en la dirección opuesta. Esta limitación y los comportamientos de entrada en pérdida de las alas en tándem imponen demandas desafiantes e inherentes a los diseños de alas en caja que limitan su éxito a velocidades de vuelo más altas.

Como se señaló anteriormente, también crean arrastre de interferencia. Este tipo de arrastre puede ser difícil de predecir y también se malinterpreta ampliamente. En la práctica, la resistencia aerodinámica de interferencia tridimensional inherente del diseño de una aeronave de ala cuadrada reduce en gran medida la ventaja teórica bidimensional de la configuración para obtener los beneficios de la resistencia aerodinámica inducida. Es por eso que no se parecen en nada a las "alas normales".

Como se mencionó en la publicación original, hay una nueva configuración de aeronave que a menudo se confunde con un diseño de ala de caja. Sin embargo, no es nada como ellos. Se llama configuración box-tail o boxtail doble. Soy el diseñador del avión Synergy double boxtail, que es el primer avión de este tipo en ser desarrollado.

Estos atributos un tanto decepcionantes de la configuración de ala de caja, por lo demás lógica, estuvieron en el centro de las cuestiones durante el largo período de desarrollo de Synergy. Era mi deseo utilizar una alta eficiencia de tramo y un flujo laminar en un diseño de aeronave de alta velocidad, mientras evitaba los aterrizajes a alta velocidad y los comportamientos impredecibles e inestables a bajas velocidades. Se puede ver un video de un modelo a escala del 25% en vuelo y una descripción general básica en synergyaircraft.com . También se puede encontrar una publicación sobre el tema de boxwings allí.

Para obtener más información sobre la eficiencia del tramo y las configuraciones no planas, Ilan Kroo ha publicado descripciones generales muy completas del tema. El siguiente gráfico es una adaptación de uno que aparece en sus artículos. Muestra cómo se puede combatir la resistencia inducida en el espacio tridimensional al alejarse de un ala plana y plana hacia la dimensión vertical. Synergy desarrolla esa comprensión aún más, en las dimensiones longitudinal y temporal, de acuerdo con los conceptos propuestos por primera vez por George C. Greene mientras estaba en NASA Langley.

No están libres de resistencia inducida, pero la resistencia inducida se ve muy disminuida, como se demuestra en el artículo NACA de Prandtl de 1924 y se informa en este libro (consulte el capítulo 11).

Los autores de ese libro aplicaron los resultados al diseño de este avión .

La razón principal de la resistencia inducida es que el ala acelera el aire por encima y por debajo hacia abajo aumentando su energía cinética y, debido a la ley de conservación de la energía, tiene que llevar esa energía a alguna parte y la única forma es haciendo un trabajo negativo en el aviones, es decir, induciendo resistencia.

La cantidad de aire acelerado por unidad de tiempo es proporcional a la envergadura y velocidad de la aeronave. Aplicar la misma fuerza a más aire lo acelera a una velocidad más baja y debido a que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad, induce menos resistencia. Es por eso que las alas de alta relación de aspecto (larga envergadura) son más eficientes y por qué la resistencia inducida disminuye con la velocidad.

Los vórtices de las puntas de las alas son simplemente los bordes de esta área de aire descendente. Y debido a que no se puede generar sustentación sin acelerar el aire hacia abajo (por la ley de acción y reacción), esta resistencia inducida es principal y cualquier ala de envergadura finita la inducirá. Y solo dependerá de la sustentación generada, la envergadura y la velocidad y nada más.

Véase también Cómo vuela, sección 3.13 (la figura es de allí).

Ahora hay algo de resistencia inducida adicional causada por el aire a mayor presión que fluye alrededor de la punta del ala que no contribuye a la sustentación (o incluso ligeramente negativamente), pero contribuye a la resistencia. Es tal vez bajas decenas de por ciento o algo así. Los varios porcentajes que se pueden ahorrar con varias medidas son lo suficientemente significativos como para que valga la pena el esfuerzo, pero siguen siendo varios por ciento. Los milagros no son posibles.

Por cierto, el ala de caja todavía tiene puntas. El aire no puede fluir hacia o desde entre las alas, pero puede fluir desde debajo de la superficie horizontal inferior hacia arriba de la superior. Además, el ala tiene una relación de aspecto relativamente baja.

Muchos buenos puntos sobre la reducción de la resistencia aquí.

Sí, la resistencia inducida se puede reducir en un pequeño porcentaje con un ala de caja, al difundir el vórtice de la punta del ala. Hace una diferencia de un pequeño porcentaje, lo cual es significativo. Casi lo mismo que un biplano.

La VERDADERA ventaja convincente de boxwings es estructural. Con las alas conectadas en las puntas, es posible y práctico diseñar para una determinada resistencia y rigidez con menos material. Las alas pueden apoyarse entre sí y amortiguar la resonancia natural de cada una, lo que proporciona cierto margen contra el aleteo y las fallas.

Rick Gendreau, diseñador, boxwing Halcyon.

Los sistemas cerrados (Box Wing es solo un tipo particular de ala cerrada), C-wings y biwings están realmente relacionados en lo que respecta a la minimización de la resistencia inducida.

Si está interesado en respuestas técnicas sobre la minimización/rendimiento de la resistencia inducida de Box Wings, sistemas cerrados, sistemas de dos alas y multialas , puede encontrar todos los detalles en las siguientes publicaciones (también puedo enviarle los documentos si envíame un correo electrónico a la dirección luciano.demasiATgmail.com ):

=====Artículo 1 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Dipace Antonio y Cavallaro Rauno " Teoremas de arrastre mínimo inducido para alas unidas, sistemas cerrados y biwings genéricos: teoría ", Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, páginas 1-36, DOI: 10.1007/s10957- 015-0849-y, ISSN:0022-3239

=====Artículo 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno y Dipace Antonio " Teoremas de arrastre mínimo inducido para alas unidas, sistemas cerrados y biwings genéricos: aplicaciones " Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, páginas 1-25, Doi: 10.1007/ s10957-015-0849-y, ISSN:0022-3239

=====Artículo 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno " Teoremas de arrastre mínimo inducido para sistemas de alas múltiples ", 2016, 4-8 de enero, SciTech2016, San Diego, California, AIAA 2016-0236

=====Artículo 4 =====

Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno " Formulación invariable para las condiciones mínimas de arrastre inducido de sistemas de alas no planas ", AIAA Journal, 2014, octubre, 10,2223-2240,52, Doi: 10.2514/1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Atentamente,

Luciano Demasi