¿Por qué algunos aviones militares usan alas de barrido variable?

Al barrer el ala hacia atrás, esencialmente haces que el aire "vea" otra superficie aerodinámica.

Mira estos dos diagramas:

Cuando el aire se encuentra con el ala, viaja a lo largo$V$. Este perfil aerodinámico 'visto' es mucho más delgado que$V1$(que es perpendicular al borde de ataque). A medida que la aeronave experimenta menos presión, la aeronave experimenta menos resistencia. Sin embargo, esto también reduce la velocidad del aire. Esto es bueno si está buscando retrasar cosas como las ondas de choque a medida que el aire se vuelve supersónico, ya que extender más la fuerza retrasa este efecto y la separación del flujo que lo acompaña.

Desafortunadamente, a pesar de todas las ventajas, tendría una velocidad de aterrizaje muy alta. Entonces, las alas se barren hacia adelante, la aeronave tiene un perfil aerodinámico más efectivo para velocidades más bajas y la velocidad aerodinámica mínima disminuye en consecuencia. Ahora hay más arrastre, pero también más sustentación que necesita para la velocidad más lenta.

Wikipedia lo expresa muy bien en términos no demasiado complejos:

Si empezáramos a deslizar el ala hacia los lados (en el sentido de la envergadura), el movimiento lateral del ala en relación con el aire se agregaría al flujo de aire previamente perpendicular, lo que daría como resultado un flujo de aire sobre el ala en ángulo con el borde de ataque. Este ángulo da como resultado que el flujo de aire viaje una mayor distancia desde el borde de ataque hasta el borde de salida y, por lo tanto, la presión del aire se distribuye a lo largo de una distancia mayor (y, en consecuencia, se reduce en cualquier punto particular de la superficie).

Este escenario es idéntico al flujo de aire experimentado por un ala en flecha mientras viaja por el aire. El flujo de aire sobre un ala en flecha se encuentra con el ala en ángulo. Ese ángulo se puede dividir en dos vectores, uno perpendicular al ala y otro paralelo al ala. El flujo paralelo al ala no tiene efecto sobre ella, y dado que el vector perpendicular es más corto (es decir, más lento) que el flujo de aire real, en consecuencia ejerce menos presión sobre el ala. En otras palabras, el ala experimenta un flujo de aire más lento, ya presiones más bajas, que la velocidad real de la aeronave. Uno de los factores que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un ala de alta velocidad es la compresibilidad, que es el efecto que actúa sobre un ala cuando se acerca y pasa a la velocidad del sonido. Los efectos negativos significativos de la compresibilidad lo convirtieron en un tema primordial para los ingenieros aeronáuticos. La teoría de barrido ayuda a mitigar los efectos de la compresibilidad en aviones transónicos y supersónicos debido a las presiones reducidas. Esto permite que el número de Mach de un avión sea más alto que el que realmente experimenta el ala.

¿Hay una ganancia de rendimiento? Depende de tu definición:

Tener alas barridas fijas implicaría que:

• La velocidad de aterrizaje podría ser inaceptablemente alta y, por lo tanto, se requerirían pistas largas.
• Podrías diseñar un avión rápido y ligero. Toma el F104 Starfighter por ejemplo, que tenía alas delgadas y cortas para el mismo efecto pero no podía moverlas, y era extremadamente peligroso a bajas velocidades.

Tener alas variables :

• El F14 estaba destinado a operaciones de portaaviones, en las que desearía una velocidad de aterrizaje lenta. Hacer que un avión vaya tan rápido probablemente hubiera sido imposible de otra manera. También fue diseñado para operaciones de largo alcance, agregando peso de combustible.
• Agrega peso y complejidad mecánica a la estructura del avión, lo que aumenta el costo de mantenimiento y el consumo de combustible.

Si lo entiendo correctamente, los aviones de hoy en día dependen más de sistemas como dispositivos de gran sustentación como, por ejemplo, listones y flaps.

Las alas oscilantes combinan el alto ángulo de barrido útil para el vuelo Mach 2+ con características tolerables de manejo a baja velocidad. Eran necesarios para satisfacer las demandas de aeronaves militares solicitadas en licitaciones antes de que los planificadores se dieran cuenta a finales de los años sesenta de que no se necesitaba alta velocidad .

Al volar a velocidad supersónica, ayuda si el ángulo de barrido del borde de ataque del ala es más alto que el ángulo del cono de Mach . Dado que el ángulo de Mach aumenta con el arcoseno del número de Mach, esto requiere más de 60° de barrido a Mach 2 y 70,5° a Mach 3. Si el ángulo de barrido del borde de ataque es mayor, el flujo a su alrededor seguirá siendo similar a la del flujo subsónico alrededor de un borde de ataque recto. Esto deja en su lugar efectos como el pico de succión cerca del borde de ataque que desaparecería una vez que el componente de flujo perpendicular al borde de ataque se vuelva supersónico. Un borde de ataque subsónico reduce en gran medida la resistencia a la velocidad supersónica.

El barrido también ayuda a que la transición al reino supersónico sea más suave al reducir la resistencia máxima que se encuentra alrededor de Mach 1. Pero por debajo de Mach 1 comienza a convertirse en una desventaja . Barrer

• reduce la elevación máxima
• requiere recorridos más largos de despegue y aterrizaje
• produce características de pérdida indeseables

Por lo tanto, un ala con un barrido de más de 60° se vuelve rápidamente irreconciliable con los requisitos militares regulares, como una longitud de campo corta y buenas características de manejo subsónico en un ángulo de ataque alto. Un ala oscilante es la única forma de combinar un rendimiento aceptable a alta y baja velocidad.

Las desventajas enumeradas anteriormente desaparecen por debajo de un barrido de aproximadamente 15° a 20°, pero el recorrido longitudinal del centro de presión del ala con el ángulo de barrido es mayor en ángulos de barrido bajos. Con el fin de mantener este recorrido longitudinal lo más pequeño posible, el rango regular de ángulos de barrido se encuentra principalmente entre aproximadamente 20° y 70°.

• F-111 : 16° ​​- 72,5°, velocidad máxima Mach 2,5
• F-14 : 20° - 68° (en vuelo), velocidad máxima Mach 2,34
• MiG-23 : 16° ​​- 72°, velocidad máxima Mach 2,32
• Su-24 : 16° ​​- 69°, velocidad máxima Mach 1,35
• Tu-160 : 20° - 65°, velocidad máxima Mach 2,05
• Panavia Tornado : 25° - 67°, velocidad máxima Mach 2.2
• B-1A : 15° - 67,5°, velocidad máxima Mach 2,22

Pero hay más para barrer las alas:

El principal beneficio para el B-1B y el Tornado (que se suponía que ambos penetrarían la defensa aérea a baja altitud) es la menor pendiente de elevación de un ala en flecha, en combinación con la alta carga alar de un diseño de ala oscilante. Esto se traduce en mejores cualidades de conducción en aire turbulento. Si el avión choca contra una corriente ascendente a alta velocidad y en el aire de alta densidad cerca del suelo, el aumento de sustentación es masivo si el ala no tiene barrido. Barrido reduce el aumento de sustentación con el coseno del ángulo de barrido, y una ráfaga que habría producido 4 g con el ala sin barrido produce sólo 2 g con barrido de 60°. Este efecto se incrementa aún más por el cambio en la envergadura del ala, lo que reducirá aún más el factor de carga.

El otro beneficio es la posibilidad de utilizar dispositivos de gran sustentación en el ala. El borde de fuga avanza y sale para la configuración de aterrizaje, por lo que el elevador puede controlar el momento de cabeceo de los flaps y se puede usar más aire para generar sustentación. Los flaps de borde de fuga en un ala delta (que es básicamente la configuración de barrido hacia atrás), por otro lado, no funcionan bien en absoluto. Esto es útil tanto para aterrizar en un portaaviones como para despegar para una misión de bombardeo de largo alcance.

Bueno, el problema no es solo la sustentación creada sino también la resistencia. A alta velocidad transónica e hipersónica, la resistencia creada por las alas rectas es mucho mayor que la creada por las alas en flecha (o incluso mejor por las alas delta). Esto se debe principalmente al hecho de que, debido al ángulo de barrido, el número de Mach efectivo, el perpendicular al borde de ataque del ala, es menor que el número de Mach de la aeronave. Esto ayuda mucho a reducir la resistencia debido a los calzos y, por lo tanto, mantiene una velocidad muy alta sin demasiada resistencia y, por lo tanto, no requiere empuje. Hasta aquí todo bien, pero...

Las alas delta y, en menor grado, las alas de barrido a baja velocidad presentan lo que se denomina un flujo en el sentido de la envergadura. Este es el hecho de que el flujo es empujado en la dirección del tramo desde la raíz hasta la punta. Esto aumenta la distancia del flujo sobre el ala y, por lo tanto, el espesor de la capa límite en el borde de fuga (en comparación con las alas rectas). Esto tiene el efecto inmediato de reducir el ángulo de pérdida o al menos el ángulo en el que aparece la primera separación. Esto también reduce la sustentación generada cuando la aeronave vuela con un ángulo de ataque no despreciable. Este es particularmente el caso del despegue y el aterrizaje, en los que las alas rectas ofrecen mejores prestaciones.

Sostener la aeronave en el aire con un ángulo de ataque más pequeño significa volar más rápido y esto obviamente no se busca durante el despegue y el aterrizaje. Esta es la razón por la que es beneficioso usar alas de barrido variable para algunas aeronaves militares que necesitan despegar o aterrizar en distancias cortas y luego necesitan una velocidad de despegue y aterrizaje más pequeña.