¿Qué ventajas trae el ala en el Boeing Bird of Prey?

Fondo

Dado que la respuesta de @aeroalias solo reproduce lo que se dice en Wikipedia, agregaré algunos pensamientos más (aunque sin las imágenes, ya hay muchas en la otra respuesta).

En primer lugar, el diseño está destinado a vuelos transsónicos, pero el desarrollo fue financiado de forma privada por McDonnell-Douglas y tuvo que mantener los costos bajos. Como consecuencia, el avión de demostración usó un motor de clase de empuje de 3000 lb ( Pratt & Whitney Canada JT15D5C ) que se usa más en entrenadores militares y jets de negocios que en aviones de combate. Esto mantuvo baja la velocidad máxima de la aeronave y las fuerzas aerodinámicas, lo que ayudó a mantener los sistemas simples y la estructura pequeña. Un avión de producción sería mucho más grande y usaría un motor mucho más potente.

Cuando McDonnell-Douglas no fue seleccionado para el programa ATF a finales de los años ochenta, decidieron ponerse en el mapa construyendo un demostrador que debería mostrar su experiencia de baja observabilidad. Habían fundado su propia oficina de diseño para programas negros, llamada Phantom Works , reflejando el enfoque de Lockheed con su sucursal Skunk Works .

el avion

Aproximadamente la mitad de la sustentación en vuelo nivelado es producida por el fuselaje delantero. Wikipedia dice que son los lomos, pero solo provocan la generación de un par de vórtices como los de un ala delta, y la baja presión causada por las velocidades de este vórtice crea sustentación en el fuselaje delantero. En cierto modo, el Bird of Prey es un avión canard .

La otra mitad de la sustentación la aportan las alas, que nuevamente crean una sustentación en vórtice debido al alto ángulo de barrido del borde de ataque. El diedro del ala interior se eligió para

• levante las puntas, de modo que las aletas/aletas tengan suficiente espacio para apuntar hacia abajo. Tenga en cuenta que las puntas de las aletas están recortadas para proporcionar suficiente espacio libre para la rotación. Este ángulo de reducción también indica el ángulo de rotación y el ángulo de ataque a baja velocidad.
• proporcionar un momento de balanceo negativo debido al deslizamiento lateral, reduciendo el efecto de los winglets.

Los winglets regulares que apuntan hacia arriba tienen una serie de desventajas, una de ellas es la inducción de sustentación en el ala cuando se desvían los timones , lo que produce un momento de balanceo no deseado e impide que la aeronave gire en el giro previsto. Los winglets que apuntan hacia abajo ayudaron a que el avión pudiera volar sin control por computadora, porque ayudan con

• estabilidad direccional, posible por su posición trasera debido al alto ángulo de barrido del ala
• Momento de balanceo con desviación del timón, haciendo rodar la aeronave en la dirección del giro comandado por los timones.

El ángulo de barrido alto se eligió para el régimen de vuelo subsónico alto de cualquier versión de producción y para desviar la señal de radar de regreso lejos del remitente. El Bird of Prey es un diseño de dos lóbulos (ver esta respuesta para más detalles)

El Boeing Bird of Prey es de hecho un avión único, que fue un proyecto interno en lugar de un X-Project financiado por el gobierno. Se utilizó principalmente como demostrador de tecnología para tecnologías poco observables.

El Bird of Prey es bastante inusual para un avión de solo ala (en el sentido de que no tenía estabilizador) que era estáticamente estable y no requería entradas de corrección de una computadora. Esta estabilidad se logró gracias a la sustentación generada por los lomos frente al fuselaje.

Aquí hay una mirada más cercana a los lomos.

Fuente: www.freerepublic.com

Los lomos producen sustentación generando vórtices (similar al ala delta). Básicamente, los lomos producen vórtices separados a ambos lados del fuselaje, lo que produce sustentación. Según adg.stanford.edu,

En lugar de reducir la sustentación del ala, los vórtices del borde de ataque aumentan la sustentación del ala de manera no lineal. Se puede considerar que el vórtice reduce las presiones de la superficie superior al inducir velocidades más altas en la superficie superior.

Imagen de Effects of Vertical Tail and Inlet/Strake Geometry on Stability of a Diamond-Wing Fighter Configuration por Mitchell E. Fossum et al., accedido a través de http://enu.kz/

Para comparar cómo el lomo genera sustentación similar a un ala delta, es instructivo ver los patrones de flujo de vórtice en un ala delta delgada (recortada) con un cuerpo de proa del lomo.

Imagen de On the Nonlinear Aerodynamic and Stability Characteristics of a Generic Chine-Forebody Slender-Wing Fighter - Configuration by Gary E. Erickson and Jay M. Brandon, NASA Technical Memorandum 89447, labelling mine.

Un ejemplo de un ala delta con una parte delantera de lomo muestra los dos vórtices que se generan a partir de los lomos y el ala muy en flecha, similar al Bird of Prey.

Imagen del análisis aerodinámico de un caza genérico con fuselaje chino/configuración de ala delta usando simulación de remolino separado retardado por Tiger L. Jeans et al, accedido a través de calpoly.edu

Las fuerzas que actúan sobre el eje longitudinal de la aeronave se parecen a esto (no estoy seguro de los valores o ubicaciones exactos), lo que lleva a una aeronave estáticamente estable.

Perfil de bj-o23.deviantart.com, trabajo propio de otros.

Los lomos también ayudan a reducir la sección transversal del radar, según dictionary.sensagent.com (atribuido a The Radar Game por Rebecca Grant):

Una extensión de borde de ataque estándar se une al fuselaje en ángulo, mientras que un lomo es una extensión de la curvatura del fuselaje. Por lo tanto, los lomos evitan presentar reflectores de esquina o lados verticales a los radares.

Desde entonces, este diseño se ha convertido en estándar en los UAV (Boeing) como el X-45, etc.

Otra característica es que los lados del fuselaje son paralelos entre sí, lo que ayuda a reducir la sección transversal del radar al reflejar las ondas de radar lejos de la fuente.

Fuente: gizmodo.com

El diseño del ala es bastante inusual, una sección poliédrica con secciones interiores diédricas (en ángulo hacia arriba) y secciones exteriores anédricas (en ángulo hacia abajo), que ayudaron en el sigilo y la estabilidad.

Fuente: soldiersystems.net

El ala tiene un ángulo de barrido bastante alto (~65 grados) para un avión de baja velocidad, con el fin de mejorar el sigilo.

El borde de fuga eliminó las diferencias de presión a lo largo de la envergadura, por lo tanto, eliminó las estelas en altitudes más bajas que tienen vapor de agua que conduce a su formación. Esto permite el uso de este avión furtivo durante el día.