Regla de área
La regla del área de Whitcomb, llamada así por el ingeniero de la NACA Richard Whitcomb y también llamada regla del área transónica, es un procedimiento de diseño utilizado para reducir la resistencia aerodinámica de una aeronave. a velocidades transónicas que se producen entre aproximadamente Mach 0,75 y 1,2. Para velocidades supersónicas, se utiliza un procedimiento diferente llamado regla del área supersónica, desarrollada por el aerodinámico de la NACA, Robert Jones.
Transonic es uno de los rangos de velocidad más importantes para los aviones comerciales y militares de ala fija en la actualidad, con la aceleración transónica como un requisito de rendimiento importante para los aviones de combate y que se mejora mediante reducciones en la resistencia aerodinámica transónica.
Descripción
A velocidades de vuelo subsónicas altas, la velocidad local del flujo de aire puede alcanzar la velocidad del sonido cuando el flujo se acelera alrededor del cuerpo y las alas del avión. La velocidad a la que se produce este desarrollo varía de un avión a otro y se conoce como el número de Mach crítico. Las ondas de choque resultantes formadas en estas zonas de flujo sónico provocan un aumento repentino en la resistencia, llamado arrastre de onda. Para reducir el número y la fuerza de estas ondas de choque, una forma aerodinámica debe cambiar en el área de la sección transversal lo más suavemente posible de adelante hacia atrás.
La regla del área dice que dos aviones con la misma distribución del área de la sección transversal longitudinal tienen la misma resistencia a las olas, independientemente de cómo se distribuya lateralmente el área (es decir, en el fuselaje o en el ala). Además, para evitar la formación de fuertes ondas de choque, la forma externa de la aeronave debe disponerse cuidadosamente de modo que el área de la sección transversal cambie lo más suavemente posible desde el morro hasta la cola. En la ubicación del ala, el fuselaje se estrecha o "en cintura". Es posible que sea necesario reducir el área de la sección transversal del fuselaje al aplanar los lados del fuselaje debajo de un dosel de burbujas y en las superficies de la cola para compensar su presencia, lo cual se hizo en el Hawker Siddeley Buccaneer.
Una regla de área diferente, conocida como regla de área supersónica y desarrollada por el aerodinámico de NACA Robert Jones, "Teoría de la resistencia aerodinámica del cuerpo del ala a velocidades supersónicas", es aplicable a velocidades más allá de la transónica, pero en este caso, el requisito de área de la sección transversal se establece en relación con el ángulo del cono de Mach para la velocidad de diseño. Por ejemplo, considere que a Mach 1,3 el ángulo del cono de Mach generado por el morro de la aeronave será un ángulo μ = arcsen(1/M) = 50,3° (donde μ es el ángulo del cono de Mach, también conocido como ángulo de Mach, y M es el número de Mach). En este caso, la "forma perfecta" está sesgado hacia atrás; por lo tanto, las aeronaves diseñadas para un menor arrastre de olas a velocidad supersónica suelen tener las alas hacia atrás.
Carrocería Sears-Haack
Un concepto superficialmente relacionado es el cuerpo de Sears-Haack, cuya forma permite un arrastre de onda mínimo para una longitud y un volumen dados. Sin embargo, la forma del cuerpo de Sears-Haack se obtiene a partir de la ecuación de Prandtl-Glauert, que rige aproximadamente los flujos subsónicos de pequeña perturbación, así como la teoría de Ackeret, que describe de cerca el flujo supersónico. Ambos métodos pierden validez para flujos transónicos donde se aplica la regla del área, debido a las suposiciones hechas en sus derivaciones. Entonces, aunque la forma del cuerpo de Sears-Haack, al ser suave, tendrá propiedades de arrastre de onda favorables de acuerdo con la regla del área, teóricamente no es óptima.
Historia
Alemania
La regla del área fue descubierta por Otto Frenzl al comparar un ala en flecha con un w-wing con resistencia extrema a las olas mientras trabajaba en un túnel de viento transónico en la fábrica de Junkers en Alemania entre 1943 y 1945. Escribió una descripción el 17 de diciembre de 1943, con el título Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug ("Disposición de Cuerpos de Desplazamiento en Vuelo de Alta Velocidad"); esto se usó en una patente presentada en 1944. Los resultados de esta investigación fueron presentados a un amplio círculo en marzo de 1944 por Theodor Zobel en la Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Academia Alemana de Investigación Aeronáutica) en la conferencia "Fundamentalmente nuevas formas de aumentar el rendimiento de los aviones de alta velocidad."
El posterior diseño de aviones alemanes en tiempos de guerra tuvo en cuenta el descubrimiento, evidente en el delgado fuselaje medio de los aviones, incluidos el Messerschmitt P.1112, P.1106 y el bombardero de largo alcance Focke-Wulf 1000x1000x1000 tipo A, pero también evidente en el ala delta diseños que incluyen el Henschel Hs 135. Varios otros investigadores estuvieron cerca de desarrollar una teoría similar, en particular Dietrich Küchemann, quien diseñó un luchador cónico que se denominó "Küchemann Coke Bottle" cuando fue descubierto por las fuerzas estadounidenses en 1946. En este caso, Küchemann llegó a la teoría al estudiar el flujo de aire, en particular la interferencia, o las líneas de corriente del flujo local, en la unión entre el fuselaje y el ala en flecha. El fuselaje estaba contorneado, o entallado, para que coincidiera con el flujo. El requisito de configuración de este "campo cercano" enfoque también sería el resultado de la posterior 'campo lejano' de Whitcomb; enfoque para la reducción de arrastre usando su regla de área sónica.
Estados Unidos
Wallace D. Hayes, un pionero del vuelo supersónico, desarrolló la regla del área transónica en publicaciones que comenzaron en 1947 con su Ph.D. tesis en el Instituto de Tecnología de California.
Richard T. Whitcomb, que da nombre a la regla, descubrió esta regla de forma independiente en 1952, mientras trabajaba en el Comité Asesor Nacional para la Aeronáutica (NACA). Mientras usaba el nuevo túnel de alta velocidad de ocho pies, un túnel de viento con un rendimiento de hasta Mach 0,95 en el Centro de Investigación Langley de la NACA, se sorprendió por el aumento de la resistencia debido a la formación de ondas de choque. Whitcomb se dio cuenta de que, con fines analíticos, un avión podía reducirse a un cuerpo aerodinámico de revolución, alargado tanto como fuera posible para mitigar las discontinuidades abruptas y, por lo tanto, un aumento de la resistencia aerodinámico igualmente abrupto. Los choques se podían ver usando la fotografía de Schlieren, pero la razón por la que se creaban a velocidades muy por debajo de la velocidad del sonido, a veces tan bajas como Mach 0,70, seguía siendo un misterio.
A finales de 1951, el laboratorio acogió una charla de Adolf Busemann, un famoso aerodinámico alemán que se había mudado a Langley después de la Segunda Guerra Mundial. Habló sobre el comportamiento del flujo de aire alrededor de un avión a medida que su velocidad se acercaba al número de Mach crítico, cuando el aire ya no se comportaba como un fluido comprimible. Mientras que los ingenieros estaban acostumbrados a pensar que el aire fluía suavemente alrededor del cuerpo de la aeronave, a altas velocidades simplemente no tenía tiempo para "quitarse del camino" y, en cambio, comenzaba a fluir como si fuera rígido. tuberías de flujo, un concepto al que Busemann se refirió como "tuberías de corriente", a diferencia de las líneas de corriente, y sugirió en broma que los ingenieros tenían que considerarse a sí mismos "instaladores de tuberías".
Varios días después, Whitcomb tuvo un "Eureka" momento. La razón de la alta resistencia fue que las "tuberías" de aire estaban interfiriendo entre sí en tres dimensiones. Uno no considera simplemente el aire que fluye sobre una sección transversal 2D de la aeronave como otros podían hacerlo en el pasado; ahora también tenían que considerar el aire a los "lados" de la aeronave que también interactuaría con estos streampipes. Whitcomb se dio cuenta de que la forma tenía que aplicarse a la aeronave como un todo, en lugar de solo al fuselaje. Eso significaba que el área extra de la sección transversal de las alas y la cola tenía que tenerse en cuenta en la forma general, y que el fuselaje debería estrecharse donde se unen para que coincida más con el ideal.
Aplicaciones
El primer avión en el que se implementó la regla del área fue el banco de pruebas de bombarderos alemán Junkers Ju-287 (1944). Otros diseños alemanes correspondientes no se completaron debido al final de la guerra o incluso permanecieron en la etapa de planificación.
Cuando Whitcomb redescubrió la regla del área, se puso a disposición de la industria aeronáutica de EE. UU. de manera secreta para programas militares desde 1952 y se informó en 1957 para programas civiles. Convair y Grumman, con la ayuda de Whitcomb, lo usaron simultáneamente para diseñar el Grumman F-11 Tiger y rediseñar el Convair F-102. El Grumman F-11 Tiger fue el primero de los dos aviones en volar y había sido diseñado utilizando la regla del área desde el principio. El Convair F-102 Delta Dagger tuvo que ser rediseñado ya que no había podido alcanzar Mach 1 aunque su velocidad de diseño era Mach 1,2. La expectativa de que alcanzaría la velocidad de diseño se había basado en predicciones optimistas de arrastre del túnel de viento. Las modificaciones que incluyeron sangrar el fuselaje junto a las alas y agregar más volumen a la parte trasera de la aeronave redujeron significativamente la resistencia transónica y se alcanzó la velocidad de diseño de Mach 1.2. La razón para usar la regla del área en estos aviones de combate fue reducir el valor máximo de la resistencia que ocurre en Mach 1 y así permitir velocidades supersónicas con menos empuje del que hubiera sido necesario.
En 1957, se dispuso de una regla de área modificada para aumentar la velocidad de crucero subsónica de los aviones de transporte en 50 mph. La velocidad de crucero está limitada por el aumento repentino de la resistencia que indica la presencia de un flujo supersónico local en la parte superior del ala. La regla modificada de Whitcomb redujo la velocidad supersónica antes del choque, lo que la debilitó y redujo la resistencia aerodinámica asociada. El Convair 990 tenía protuberancias llamadas cuerpos antichoque agregados a la superficie superior del ala con la intención de lograr la velocidad de crucero requerida. Sin embargo, la distribución del área en los canales formados por las superficies de la góndola/pilón/ala también provocó velocidades supersónicas y fue la fuente de una resistencia significativa. Se aplicó una técnica de regla de área, denominada regla de área de canal, para lograr la velocidad de crucero requerida.
Los diseñadores de Armstrong-Whitworth llevaron la regla del área sónica un paso más allá en su M-Wing propuesta, en la que el ala se barría primero hacia adelante y luego hacia atrás. Esto permitió que el fuselaje se estrechara tanto por delante como por detrás de la raíz, lo que condujo a un fuselaje más suave que se mantuvo más ancho en promedio que uno con un ala en flecha clásica.
Se agregó la extensión detrás de la cabina de vuelo en el Rockwell B-1 Lancer y el Boeing 747 para mejorar la distribución del área transversal de acuerdo con la regla del área.
Las aeronaves diseñadas de acuerdo con la regla de área de Whitcomb (como el F-102 Delta Dagger y el Northrop F-5) se veían extrañas cuando aparecieron por primera vez y a veces se las denominaba "botellas de Coca-Cola voladoras", pero esto se convirtió en una parte esperada de la apariencia de algunos aviones transónicos. Las indicaciones visualmente evidentes de que la regla del área ha definido la forma de una aeronave son el fuselaje "en cintura" y la conformación del tanque de punta como en el Northrop F-5, y el adelgazamiento del fuselaje trasero en aviones comerciales con motores traseros como el Bombardier Global Express. La regla también requiere un posicionamiento cuidadoso de las piezas, como los propulsores y la bodega de carga en los cohetes y la forma y ubicación del dosel en el F-22 Raptor.
La regla del área supersónica se aplicó, a Mach 2, al prototipo Concorde. El fuselaje trasero se extendió 3,73 m en el avión de producción y redujo la resistencia de las olas en un 1,8 %.
Imágenes
El Delta F-106 Dart, un desarrollo de la F-102 Delta Dagger, muestra el "wasp-waisted" conformando debido a consideraciones de reglas de área
NASA Convair 990 con cuerpos antichoque en la parte trasera de las alas
Visualización de flujo de aceite de separación de flujo sin y con cuerpos antiahoque
Northrop F-5 mostrando fuselaje cintura
Northrop F-5 mostrando la forma de punta-tanque
Bombardier Global Express mostrando el adelgazamiento del fuselaje trasero entre motores
Prototipo Concorde antes de la cola fue modificado usando Mach 2 aplicación de regla de área
Producción Concorde con área gobernada cola
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