Aerodinámica: Diferentes tipos de alas (2)

Diferentes tipos de alas (parte 2) 
por Archytas 

El ala en flecha 

En las postrimerías de la década del ‘30, en la búsqueda por alcanzar mayores velocidades para los aviones de caza, los diseñadores se encontraron con dos grandes obstáculos. Uno fue la planta de poder: la combinación motor de pistón y hélice ya había llegado al límite de sus posibilidades y muy poco se podía hacer para mejorar la situación. Esto dio paso a la aparición del turborreactor, primero en Alemania y luego en Gran Bretaña. Los trabajos se desarrollaron con tal celeridad que ambos llegaron a poner en servicio aviones de combate con ese nuevo propulsor antes de finalizar la II Guerra Mundial. 
El otro inconveniente fue desde el punto de vista aerodinámico. Cuando aumentaba la velocidad por encima de los 700 u 800 km/h, las alas rectas comenzaban a presentar dificultades, principalmente una gran resistencia al avance. Los perfiles empezaron a afinarse pero esto tenía un límite estructural, ya que cuando eran muy delgados no resistían los tremendos esfuerzos que imponían los regímenes elevados. Esto abonó el camino para la aparición de una nueva rama de estudio en el campo aeronáutico: la aeroelasticidad (aeroelasticity), que combinaba los fenómenos aerodinámicos y los estructurales. 
Los proyectistas comenzaron a transitar un campo casi desconocido de la aerodinámica denominado transónico (transonic aerodinamics), que no tiene límites definidos pero su rango de velocidades está comprendido “en los alrededores del sonido”, es decir, aproximadamente entre los 800 / 900 km/h y los 1 300 / 1 400 km/h. Al régimen transónico podríamos definirlo como la región en la que comienzan a aparecer las ondas de choque (shock waves) sobre el avión, responsables del brusco aumento de la resistencia al avance. Esto se puede visualizar en el gráfico 1, que explicamos a continuación. 

gráfico 1 
 
Variación de la resistencia al avance en función del ángulo de flecha y del alargamiento () para un coeficiente de sustentación (Cz) cero. 



Como se recordará, el aire que fluye sobre el perfil sufre una aceleración debido a la curvatura del extradós e intradós. En realidad, se acelera mucho más sobre el extradós porque la curvatura es mayor, razón por la que se produce la sustentación como ya lo vimos en los primeros capítulos. Ahora bien, si la aeronave se desplaza, por ejemplo, a unos 900 km/h puede suceder que sobre el ala el aire alcance la velocidad del sonido (Mach 1 = 1 200 km/h). A ese régimen aparecerá la onda de choque y se lo denomina número de Mach crítico (critical Mach number). En el ejemplo: 

900 / 1200 = 0,75, que será el número de Mach crítico (Mc) del ala en cuestión (ver gráfico 2). 

 
gráfico 2 


 
El Mc 262 fue el primer avión de combate fabricado en serie con alas en flecha. 

gráfico 3 
 
La aparición de estas ondas de choque producen generalmente tremendas vibraciones (buffeting) que en los aviones de la época llegaron a causar la rotura del ala y la pérdida de muchos prototipos. Al cabo de laboriosos trabajos de investigación, el ingeniero alemán Buseman propuso que con un ala inclinada hacia atrás se podía incrementar el Mc y por lo tanto demorar la aparición de las ondas de choque e incluso evitarlas. 


La razón de esto es que la corriente de aire sobre las alas en flecha fluye en forma perpendicular al borde de ataque (ver gráfico 3), es decir que el Mc se reduce según V.cos ø (V es la velocidad del avión) o si el lector prefiere, el Mc del ala se incrementa según 1 / cos ø. De esta manera, el avión podrá volar a una velocidad superior a la que produciría ondas de choque en un ala recta. 

Veamos, las alas del F-86 Sabre tienen una flecha de 35º. Cuando el avión vuela a nivel del mar a 900 km/h la componente del aire perpendicular al borde de ataque tendrá una velocidad de : V cos ø 900 cos 35º = 900 . 0,820 = 737 km/h 

Buseman presentó esta teoría durante un congreso realizado en 1935, pero no recibió en su momento la atención que merecía. Angulo de flecha (sweept angle) es el que forma la línea que pasa al 25% de la cuerda contando desde el borde de ataque del ala (gráfico 4). En general, el empleo del ala en flecha dio buenos resultados salvo a bajas velocidades. La combinación de flecha y poco espesor puede reducir la sustentación significativamente si se la compara con un ala recta de características similares. Además, existe una tendencia al desplazamiento de la capa límite en el sentido de la envergadura hacia los extremos de ala, tornando ineficaces los alerones. La solución encontrada a este inconveniente es la colocación de barreras de capa límite (boundary layer fences), que son chapones de muy poco espesor colocados sobre el ala y en el sentido de la cuerda, que limitan el desplazamiento de la corriente de aire (ver extremo de ala en fotografía). En líneas generales se puede decir que las alas en flecha constituyen la mejor solución en el rango de velocidades Mach 0,8/Mach 2. A partir de ese régimen el ala delta compite con el ala recta. Este será el tema de nuestras próximas entregas. 

gráfico 4