Ala voladora
Un ala voladora es una aeronave de ala fija sin cola que no tiene un fuselaje definido, con su tripulación, carga útil, combustible y equipo alojados dentro de la estructura del ala principal. Un ala voladora puede tener varias protuberancias pequeñas, como vainas, góndolas, ampollas, botavaras o estabilizadores verticales.
Los diseños de aeronaves similares, que técnicamente no son alas voladoras, a veces se denominan casualmente como tales. Estos tipos incluyen aeronaves con fuselaje de alas combinadas y aeronaves con fuselaje elevador, que tienen un fuselaje y no tienen alas definidas.
En teoría, un ala voladora pura es la configuración de diseño de menor resistencia para un avión de ala fija. Sin embargo, debido a que carece de superficies estabilizadoras convencionales y las superficies de control asociadas, en su forma más pura, el ala voladora sufre de inestabilidad y es difícil de controlar.
La configuración básica del ala voladora se convirtió en un objeto de estudio importante durante la década de 1920, a menudo junto con otros diseños sin cola. En la Segunda Guerra Mundial, tanto la Alemania nazi como los aliados lograron avances en el desarrollo de alas voladoras. El interés militar en las alas voladoras disminuyó durante la década de 1950 con el desarrollo de aviones supersónicos, pero se renovó en la década de 1980 debido a su potencial para la tecnología furtiva. Este enfoque finalmente condujo al bombardero furtivo Northrop Grumman B-2 Spirit. Ha habido un interés continuo en su uso en los grandes roles de transporte de carga o pasajeros. Boeing, McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth han realizado estudios de diseño de aviones de pasajeros de ala voladora; sin embargo, aún no se han construido tales aviones.
El concepto de ala voladora es principalmente adecuado para aeronaves subsónicas. Nunca se ha construido un ala voladora supersónica.
Diseño
Resumen
Un ala voladora es un avión que no tiene un fuselaje ni un plano de cola definidos, con su tripulación, carga útil, combustible y equipo alojados dentro de la estructura del ala principal. Un ala voladora puede tener varias protuberancias pequeñas, como vainas, góndolas, ampollas, botavaras o estabilizadores verticales.
Un ala voladora limpia a veces se presenta como la configuración de diseño teóricamente más eficiente desde el punto de vista aerodinámico (menor resistencia) para un avión de ala fija. También ofrecería una alta eficiencia estructural para una profundidad de ala determinada, lo que conduciría a un peso ligero y una alta eficiencia de combustible.
Debido a que carece de superficies estabilizadoras convencionales y las superficies de control asociadas, en su forma más pura, el ala voladora sufre las desventajas inherentes de ser inestable y difícil de controlar. Estos compromisos son difíciles de reconciliar, y los esfuerzos para hacerlo pueden reducir o incluso anular las ventajas esperadas del diseño de ala voladora, como las reducciones en el peso y la resistencia. Además, las soluciones pueden producir un diseño final que todavía es demasiado inseguro para ciertos usos, como la aviación comercial.
Otras dificultades surgen del problema de instalar el piloto, los motores, el equipo de vuelo y la carga útil, todo dentro de la profundidad de la sección del ala. Otros problemas conocidos con el diseño del ala voladora se relacionan con el cabeceo y la guiñada. Los problemas de cabeceo se tratan en el artículo sobre aviones sin cola. Los problemas de guiñada se discuten a continuación.
Diseño de ingeniería
Un ala lo suficientemente profunda para contener al piloto, los motores, el combustible, el tren de aterrizaje y otros equipos necesarios tendrá un área frontal mayor, en comparación con un ala convencional y un fuselaje largo y delgado. En realidad, esto puede dar como resultado una mayor resistencia y, por lo tanto, una menor eficiencia que un diseño convencional. Por lo general, la solución adoptada en este caso es mantener el ala razonablemente delgada y, luego, la aeronave se equipa con una variedad de ampollas, cápsulas, góndolas, aletas, etc., para satisfacer todas las necesidades de una aeronave práctica.
El problema se agudiza a velocidades supersónicas, donde la resistencia aerodinámica de un ala gruesa aumenta bruscamente y es esencial que el ala se adelgace. Nunca se ha construido un ala voladora supersónica.
Estabilidad direccional
Para que cualquier aeronave vuele sin corrección constante, debe tener estabilidad direccional en guiñada.
Las alas voladoras carecen de cualquier lugar para unir un estabilizador vertical o aleta eficiente. Cualquier aleta debe unirse directamente a la parte trasera del ala, lo que genera un pequeño brazo de momento desde el centro aerodinámico, lo que a su vez significa que la aleta es ineficiente y, para que sea efectiva, el área de la aleta debe ser grande. Una aleta tan grande tiene penalizaciones de peso y arrastre, y puede anular las ventajas del ala voladora. El problema se puede minimizar aumentando el barrido hacia atrás del ala y colocando aletas gemelas fuera de borda cerca de las puntas, como por ejemplo en un ala delta de baja relación de aspecto, pero dada la reducción correspondiente en la eficiencia, muchas alas voladoras tienen un barrido hacia atrás más suave y, en consecuencia, tienen, en mejor, estabilidad marginal.
La relación de aspecto de un ala en flecha vista en la dirección del flujo de aire depende del ángulo de guiñada relativo al flujo de aire. La guiñada aumenta la relación de aspecto del ala delantera y reduce la del ala trasera. Con suficiente barrido hacia atrás, la resistencia diferencial inducida resultante de los vórtices de la punta y el flujo cruzado es suficiente para volver a alinear naturalmente la aeronave.
Un enfoque complementario utiliza torsión o lavado, lo que reduce el ángulo de ataque hacia las puntas de las alas, junto con una forma en planta de ala inclinada hacia atrás. El Dunne D.5 incorporó este principio y su diseñador J. W. Dunne lo publicó en 1913. El lavado reduce la elevación en las puntas para crear una curva de distribución en forma de campana a lo largo del tramo, descrita por Ludwig Prandtl en 1933, y esto puede ser Se utiliza para optimizar el peso y la resistencia para una determinada cantidad de sustentación.
Otra solución es inclinar o girar las secciones de la punta del ala hacia abajo con un anédrico significativo, lo que aumenta el área en la parte trasera de la aeronave cuando se ve desde un lado. Cuando se combina con barrido y lavado, puede resolver otro problema. Con una distribución de sustentación elíptica convencional, el elevón descendente provoca una mayor resistencia inducida que hace que la aeronave se salga del viraje ("guiñada adversa"). El lavado inclina el vector aerodinámico neto (ascensor más arrastre) hacia adelante a medida que se reduce el ángulo de ataque y, en el extremo, esto puede crear un empuje neto hacia adelante. La restauración de la sustentación exterior por el elevon crea un ligero empuje inducido para la sección trasera (exterior) del ala durante el giro. Este vector esencialmente empuja el ala trasera hacia adelante para causar una "guiñada pronunciada", creando un giro naturalmente coordinado. En su conferencia de 1913 ante la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, Dunne describió el efecto como "ganancia tangencial". La existencia de guiñada probada no se demostró hasta que la NASA voló su demostrador sin cola Prandtl-D.
Control de guiñada
En algunos diseños de alas voladoras, las aletas estabilizadoras y los timones de control asociados estarían demasiado adelantados para tener mucho efecto, por lo que a veces se proporcionan medios alternativos para el control de guiñada.
Una solución al problema del control es la resistencia diferencial: la resistencia cerca de la punta de un ala aumenta artificialmente, lo que hace que la aeronave gire en la dirección de esa ala. Los métodos típicos incluyen:
- Ailerones separados. La superficie superior se mueve mientras la superficie inferior se mueve hacia abajo. Dividir el ailerón en un lado induce yaw creando un efecto de freno de aire diferencial.
- Spoilers. Se levanta una superficie de spoiler en la piel de las alas superiores, para interrumpir el flujo de aire y aumentar la arrastre. Este efecto generalmente se acompaña de una pérdida de ascensor, que debe ser compensado por el piloto o por características de diseño que compensan automáticamente.
- Esponjales. Un spoiler de superficie superior que también actúa para reducir el elevador (equivalente a desviar un ailerón hacia arriba), por lo que el avión a la orilla en la dirección del giro, el ángulo del rollo hace que el ascensor del ala actúe en la dirección del giro, reduciendo la cantidad de arrastre necesaria para girar el eje longitudinal del avión.
Una consecuencia del método de arrastre diferencial es que si la aeronave maniobra con frecuencia, generará arrastre con frecuencia. Por lo tanto, las alas voladoras funcionan mejor cuando navegan en aire en calma: en aire turbulento o cuando cambia de rumbo, la aeronave puede ser menos eficiente que un diseño convencional.
Diseños relacionados
Algunas aeronaves relacionadas que no son estrictamente alas voladoras han sido descritas como tales.
Algunos tipos, como el Northrop Flying Wing (NX-216H), todavía tienen un estabilizador de cola montado en los brazos de cola, aunque carecen de fuselaje.
Muchos ala delta y aviones ultraligeros no tienen cola. Aunque a veces se denominan alas voladoras, estos tipos llevan al piloto (y el motor, si está instalado) debajo de la estructura del ala en lugar de dentro de ella, por lo que no son verdaderas alas voladoras.
Una aeronave de forma en planta delta de barrido pronunciado y sección central profunda representa un caso límite entre las configuraciones de ala voladora, cuerpo de ala combinada y/o cuerpo de elevación.
Historia
Investigaciones iniciales
Se ha experimentado con aviones sin cola desde los primeros intentos de volar. El británico J. W. Dunne fue uno de los primeros pioneros, sus diseños de biplanos y monoplanos de ala en flecha mostraron una estabilidad inherente ya en 1910. Su trabajo influyó directamente en varios otros diseñadores, incluido G. T. R. Hill, quien desarrolló una serie de diseños experimentales de aviones sin cola, conocidos colectivamente como los pterodáctilos de Westland-Hill, durante la década de 1920 y principios de la de 1930. A pesar de los intentos de cumplir con las órdenes del Ministerio de Aviación, el programa Pterodactyl finalmente se canceló a mediados de la década de 1930 antes de que se ordenara el Mk. VI fue emitido.
El alemán Hugo Junkers patentó su propio concepto de transporte aéreo solo con alas en 1910, al verlo como una solución natural al problema de construir un avión de pasajeros lo suficientemente grande como para transportar una carga de pasajeros razonable y suficiente combustible para cruzar el Atlántico. en servicio regular. Creía que el volumen interno potencialmente grande y la baja resistencia aerodinámica del ala voladora lo convertían en un diseño obvio para esta función. Su ala de monoplano de cuerda profunda se incorporó en el convencional Junkers J 1 en diciembre de 1915. En 1919 comenzó a trabajar en su "Giant" El diseño JG1, destinado a acomodar pasajeros dentro de un ala gruesa, pero dos años más tarde, la Comisión Aeronáutica Aliada de Control ordenó la destrucción del JG1 incompleto por exceder los límites de tamaño de la posguerra en los aviones alemanes. Junkers concibió alas voladoras futuristas para hasta 1.000 pasajeros; lo más cercano a esto fue en el avión de pasajeros Grossflugzeug de 34 plazas Junkers G.38 de 1931, que presentaba un ala grande de cuerda gruesa que proporcionaba espacio para combustible, motores y dos cabinas de pasajeros. Sin embargo, todavía requería un fuselaje corto para albergar a la tripulación y pasajeros adicionales.
El soviético Boris Ivanovich Cheranovsky comenzó a probar planeadores de alas voladoras sin cola en 1924. Después de la década de 1920, los diseñadores soviéticos como Cheranovsky trabajaron de forma independiente y en secreto bajo Stalin. Con un avance significativo en los materiales y métodos de construcción, aviones como el BICh-3, BICh-14, BICh-7A se hicieron posibles. Hombres como Chizhevskij y Antonov también se convirtieron en el centro de atención del Partido Comunista al diseñar aviones como el BOK-5 sin cola (Chizhevskij) y el OKA-33 (el primero construido por Antonov) que fueron designados como "planeadores motorizados".; por su similitud con los planeadores populares de la época. El BICh-11, desarrollado por Cheranovsky en 1932, compitió con los hermanos Horten H1 y Adolf Galland en la Novena Competencia de Planeadores en 1933, pero no se demostró en los Juegos Olímpicos de verano de 1936 en Berlín.
En Alemania, Alexander Lippisch trabajó primero en tipos sin cola antes de pasar progresivamente a alas voladoras, mientras que los hermanos Horten desarrollaron una serie de planeadores de alas voladoras durante la década de 1930. El planeador H1 voló con éxito parcial en 1933, y el H2 posterior voló con éxito tanto en planeador como en variantes motorizadas.
En los Estados Unidos, desde la década de 1930, Jack Northrop trabajó de forma independiente en sus propios diseños. El Northrop N-1M, un prototipo a escala para un bombardero de largo alcance, voló por primera vez en 1940. En 1941, Northrop recibió un contrato de desarrollo para construir 2 ejemplos del ala voladora YB-35, un ala voladora muy grande de 4 motores con un luz de 172'. El desarrollo y la construcción de este avión continuaron durante la Segunda Guerra Mundial.
Otros ejemplos de la década de 1930 de verdaderas alas voladoras incluyen el planeador AV3 del francés Charles Fauvel de 1933 y el planeador estadounidense Freel Flying Wing volado en 1937, que presenta un perfil aerodinámico autoestabilizador en un ala recta.
Segunda Guerra Mundial
Durante la Segunda Guerra Mundial, los problemas aerodinámicos se entendieron lo suficiente como para comenzar a trabajar en una gama de prototipos representativos de producción. En la Alemania nazi, los hermanos Horten fueron entusiastas defensores de la configuración de ala voladora, y desarrollaron sus propios diseños a su alrededor, utilizando únicamente para la época la 'distribución de sustentación en forma de campana' similar a un pájaro de Prandtl. Uno de esos aviones que produjeron fue el planeador Horten H.IV, que se produjo en cantidades reducidas entre 1941 y 1943. Varios otros diseños militares alemanes de finales de la guerra se basaron en el concepto de ala voladora, o variaciones del mismo, como una solución propuesta para ampliar el alcance de los aviones propulsados por los primeros motores a reacción, que de otro modo serían de muy corto alcance.
El prototipo de caza a reacción Horten Ho 229 voló por primera vez en 1944. Combinaba un diseño de ala voladora, o Nurflügel, con un par de motores a reacción Junkers Jumo 004 en su segundo, o " V2" (V de Versuch) fuselaje prototipo; como tal, fue el primer ala voladora pura del mundo propulsada por motores a reacción gemelos y, según los informes, voló por primera vez en marzo de 1944. El V2 fue pilotado por Erwin Ziller, quien murió cuando uno de sus motores se apagó. a un choque Se hicieron planes para producir el tipo como Gotha Go 229 durante las etapas finales del conflicto. A pesar de las intenciones de desarrollar el Go 229 y un Go P.60 mejorado para varios roles, incluso como luchador nocturno, nunca se completó ningún Go 229 o P.60 construido por Gotha. El "V3," o el tercer prototipo fue capturado por las fuerzas estadounidenses y enviado de regreso para su estudio; ha terminado almacenado en la Institución Smithsonian.
Los Aliados también hicieron varios avances relevantes en el campo utilizando una distribución de sustentación elíptica convencional con superficies de cola verticales. Durante diciembre de 1942, Northrop voló el N-9M, un avión de desarrollo a escala de un tercio para un bombardero de largo alcance propuesto; Se produjeron varios, todos menos uno fueron desechados luego de la finalización del programa de bombarderos. En Gran Bretaña, el planeador Baynes Bat voló durante la guerra; era un avión experimental a escala de un tercio destinado a probar la configuración para la conversión potencial de tanques en planeadores temporales.
El British Armstrong Whitworth A.W.52G de 1944 fue un banco de pruebas de planeadores para un avión de pasajeros de ala voladora grande propuesto capaz de operar en rutas transatlánticas. El A.W.52G fue seguido más tarde por el Armstrong Whitworth A.W.52, un modelo de propulsión a chorro totalmente metálico capaz de alcanzar altas velocidades para la época; Se prestó gran atención al flujo laminar. Volado por primera vez el 13 de noviembre de 1947, el AW52 arrojó resultados decepcionantes; el primer prototipo se estrelló sin pérdida de vidas el 30 de mayo de 1949, siendo la ocasión el primer uso de emergencia de un asiento eyectable por parte de un piloto británico. El segundo A.W.52 permaneció volando con el Royal Aircraft Establishment hasta 1954.
Posguerra
Los proyectos continuaron examinando el ala voladora durante la era de la posguerra. El trabajo en el bombardero de largo alcance YB-35 que comenzó en 1941 continuó durante la guerra con máquinas de preproducción volando en 1946. Esto fue reemplazado al año siguiente por la conversión del tipo a propulsión a reacción como el YB-49 de 1947.
Inicialmente, el diseño no ofrecía una gran ventaja en cuanto a alcance en comparación con los diseños de bombarderos de pistón más lentos, principalmente debido al alto consumo de combustible de los primeros turborreactores; sin embargo, abrió nuevos caminos en velocidad para un avión grande.
El 9 de febrero de 1949, voló desde la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California hasta la Base de la Fuerza Aérea Andrews, cerca de Washington, D.C., para la demostración de potencia aérea del presidente Harry Truman. El vuelo se realizó en cuatro horas y 20 minutos, estableciendo un récord de velocidad transcontinental. El YB-49 presentaba algunos problemas menores de estabilidad lateral que estaban siendo rectificados por un nuevo sistema de piloto automático, cuando se canceló la versión de bombardero a favor del B-36 mucho más grande pero más lento. Una versión de reconocimiento continuó en desarrollo durante algún tiempo, pero el avión no entró en producción.
En la Unión Soviética, el BICh-26 se convirtió en uno de los primeros intentos de producir un avión a reacción supersónico con alas voladoras en 1948; El autor de aviación Bill Gunston se refirió al BICh-26 como adelantado a su tiempo. Sin embargo, el avión no fue aceptado por el ejército soviético y el diseño murió con Cheranovsky.
Varias otras naciones también optaron por emprender proyectos de alas voladoras. Turquía fue uno de esos países, el Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi produjo el planeador sin cola THK-13 durante 1948. Varios fabricantes británicos también exploraron el concepto en este momento. Las primeras propuestas para el Avro Vulcan, un bombardero estratégico con armas nucleares diseñado por Roy Chadwick, también exploraron varios arreglos de alas voladoras, aunque el diseño final tenía un fuselaje.
Ha habido un interés continuo en el ala voladora para grandes funciones de transporte de carga o pasajeros. Boeing, McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth han realizado estudios de diseño de aviones de pasajeros de ala voladora; sin embargo, aún no se han construido tales aviones.
Después de la llegada de los aviones supersónicos durante la década de 1950, el interés militar en el ala voladora se redujo rápidamente, ya que el concepto de adoptar un ala gruesa que acomodara a la tripulación y el equipo entraba directamente en conflicto con el ala delgada óptima para el vuelo supersónico.
El interés por las alas voladoras se renovó en la década de 1980 debido a sus secciones transversales de reflexión de radar potencialmente bajas. La tecnología Stealth se basa en formas que reflejan las ondas de radar solo en ciertas direcciones, lo que hace que la aeronave sea difícil de detectar a menos que el receptor de radar esté en una posición específica en relación con la aeronave, una posición que cambia continuamente a medida que la aeronave se mueve. Este enfoque finalmente condujo al Northrop Grumman B-2 Spirit, un bombardero furtivo de ala voladora. En este caso, las ventajas aerodinámicas del ala voladora no son las razones principales para la adopción del diseño. Sin embargo, los modernos sistemas fly-by-wire controlados por computadora permiten minimizar muchos de los inconvenientes aerodinámicos del ala voladora, lo que lo convierte en un bombardero de largo alcance eficiente y efectivamente estable.
Debido a la necesidad práctica de un ala profunda, el concepto de ala voladora se adopta principalmente para aeronaves subsónicas. Ha habido un interés continuo en usarlo en la función de transporte grande donde el ala es lo suficientemente profunda como para transportar carga o pasajeros. Varias empresas, incluidas Boeing, McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth, han realizado estudios de diseño de aviones de pasajeros de ala voladora hasta la fecha; sin embargo, aún no se han construido tales aviones a partir de 2020.
El ala voladora bidireccional es un concepto de geometría variable que comprende un ala subsónica de gran envergadura y un ala supersónica de envergadura corta, unidas en forma de cruz desigual. Propuesta en 2011, el ala de baja velocidad tendría un perfil aerodinámico grueso y redondeado capaz de contener la carga útil y una gran envergadura para una alta eficiencia, mientras que el ala de alta velocidad tendría un perfil aerodinámico delgado y de bordes afilados y una envergadura más corta para baja velocidad. arrastre a velocidad supersónica. La nave despegaría y aterrizaría con el ala de baja velocidad a través del flujo de aire, luego giraría un cuarto de vuelta para que el ala de alta velocidad esté frente al flujo de aire para un viaje supersónico. La NASA ha financiado un estudio de la propuesta. Se afirma que el diseño ofrece un bajo arrastre de onda, alta eficiencia subsónica y un estampido sónico reducido.
Desde el final de la Guerra Fría, se han producido numerosos vehículos aéreos no tripulados (UAV) con alas voladoras. Las naciones típicamente han usado tales plataformas para reconocimiento aéreo; tales UAV incluyen el Lockheed Martin RQ-170 Sentinel y el Northrop Grumman Tern. Las empresas civiles también han experimentado con vehículos aéreos no tripulados, como Facebook Aquila, como satélites atmosféricos. Se han producido varios prototipos de vehículos aéreos de combate no tripulados (UCAV), incluidos el Dassault nEUROn, el Sukhoi S-70 Okhotnik-B y el BAE Systems Taranis.
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