Ala en fletxa
L'ala en fletxa és la configuració de les ales, habitualment, en els avions d'alta velocitat. La forma més comuna d'ala en fletxa és amb els extrems externs dirigits cap enrere, en comptes de formar un angle recte amb el fuselatge. La configuració oposada (amb els extrems de les ales dirigits vers la proa) també és troba en alguns avions.
Història
modifica
Aquest disseny ja era conegut l'any 1930, però com que les velocitats a les que els avions d'aquesta època volaven i la distribució dels pesos no ho requeria, no es considerava un tema d'interès. El progrés en la construcció d'avions més grans, amb motors més pesants feia difícil obtenir una aerodinàmica adequada amb ales perpendiculars a l'eix del fuselatge, i tot i que era possible fabricar ales primes i amples, aquestes característiques resultaven en una reducció de la seva resistència mecànica. L'avió britànic Supermarine Spitfire va utilitzar ales tan primes com era possible per disminuir la força de sustentació a altes velocitats, encara que això va produir una sèrie de problemes aerodinàmics com ara inestabilitats en el vol. Els dissenys alemanys en canvi van optar per ales més amples de major resistència i major espai intern que permetien acomodar el tren d'aterratge, combustible i armament, encara que a costa de requerir d'una major força de propulsió.
Una solució pràctica ja havia estat presentada per enginyers alemanys en una reunió de temes d'aeronàutica que va tenir lloc el 1936 a Itàlia. En la seva presentació ells van fer notar que l'alt o espessor de l'ala s'havia de mesurar i calcular al llarg de la direcció del flux d'aire en comptes de mesurar al llarg de la línia de la corda de l'ala. D'aquesta manera una ala grossa podia ser "aprimada" al girar fins a aconseguir un angle relatiu a la direcció del flux d'aire orientant cap enrere (en fletxa). Atès que per aquesta època la velocitat màxima dels avions gairebé no arribava als 400 km/h, la presentació alemanya no va tenir una aplicació immediata.
Amb la introducció dels motors de reacció en l'última meitat de la Segona Guerra Mundial l'aplicació de l'ala en fletxa es va fer rellevant. Els avions alemanys Messerschmitt Me 262 (amb motor de reacció) i Messerschmitt Me 163 (impulsat per un motor coet) patien els efectes de la compressibilitat, el que els feia molt difícils de controlar a altes velocitats. A més les altes velocitats els situaven l'el règim de wave drag , i qualsevol cosa que pogués reduir aquest efecte incrementaria les prestacions d'aquests aparells, sobretot el reduït temps de vol, de l'ordre de minuts.
Per aquestes raons es va llançar un pla massiu per introduir dissenys d'ales en fletxa, tant per als avions caça com per als bombarders. Per a això es va construir el Messerschmitt Me P.1101, com avió de prova prototip, per investigar les característiques i particularidaes del disseny i establir quins eren els angle òptim de la fletxa per a les ales. Cap dels dissenys va estar consolidat com per ser utilitzat abans de la finalització de la Segona Guerra Mundial, però el P.1101 va ser capturat per l'exèrcit nord-americà i enviat als Estats Units. Als Estats Units es van construir dues còpies amb motors nord-americans que es van utilitzar per avançar en la investigació i que van ser coneguts com a Bell X-5.
La introducció dels avenços alemanys en el camp de les ales en fletxa a l'aeronàutica van causar una petita revolució, i gairebé tots els dissenys en curs van ser modificats per incorporar ales en fletxa. Una víctima interessant va ser el Milers M-52. El projecte, que va ser cancel·lat, era un intent de disseny d'ales rectes per intentar trencar la barrera del so. Quan el disseny d'ala en fletxa va sortir a la llum el projecte va ser cancel·lat, ja que es pensava que tindria molta més resistència a trencar la barrera del so, però poc després als EUA van fer exactament això amb el Bell X-1. El 1945, Robert T. Jones un enginyer de l'NACA va desenvolupar la teoria de l'escombrat que va perfeccionar el concepte d'ala en fletxa i va permetre estudiar la seva capacitat de reduir els efectes de l'ona de xoc en els nombres de Mach crítics. A principi de la dècada del 1950 la majoria dels avions de combat utilitzaven ales en fletxa. Va ser llavors quan un altre problema descobert pels alemanys va sortir a la llum.
| Aquest article o secció necessita millorar una traducció deficient. |
Velocitat del so
modifica
Les ales en fletxa s'empren en avions que realitzen part dels seus vols en velocitats al voltant de la velocitat del so. Inicialment només es van utilitzar en avions de combat, però actualment es poden veure en pràcticament tots els avions de reacció, incloent avions de línia regular o privats.
Quan una aeronau s'aproxima a la velocitat del so, comença a aparèixer el fenomen conegut com a "buffer".[1] L'aire arriba a velocitats supersòniques en els extrems de les ales i aquesta zona de velocitat supersònica acaba en una ona de xoc obliqua, que és pràcticament perpendicular a la part superior de l'ala. Les pèrdues de l'ona de xoc normal incrementen l'arrossegament. El xoc pot fer-se més oblic fent que el perfil de l'aeronau canviï tan gradualment com sigui possible (alt ràtio de finesa o fineness ràtio en anglès).
En lloc de canviar el perfil és possible actuar indirectament mitjançant ala swing sobre estenent les ales amb cossos anti-xoc, els quals produeixen efectes mínims a baixes velocitats. Aquests mètodes també desplacen el xoc en una altra direcció (que no és visible en una vista en tall del perfil alar) especialment amb ales en fletxa cap endavant: el xoc passa a prop del flanc d'atac.
Per a vols supersònics la vora d'atac de l'ala ha de ser molt agut o fins i tot invertit.
Desavantatges
modifica
Quan un avió amb ales en fletxa vola a gran velocitat, el flux d'aire té poc temps per reaccionar i simplement flueix sobre l'ala. A velocitats més baixes, part de l'aire és empès lateralment cap als extrems de les ales. En la seva arrel, aquest efecte és menyspreable, però a mesura que ens acostem als extrems el flux d'aire és empès lateralment no només per les ales, també pel moviment lateral de l'aire que té a sota. Així, a l'extrem, el flux d'aire es mou al llarg de l'ala, en comptes de passar-hi, aquest fenomen es coneix com a spanwise flow .
L'empenta sobre una ala és generat pel flux d'aire sobre ella des seu front cap a la seva cua. A causa d'un increment dels viatges d'envergadura, la quantitat de flux des del frontal cap a la cua es redueix, portant a una pèrdua de força d'enlairament. Normalment no és un problema, però com que els avions redueixen la velocitat per aterrar els extrems poden realment caure per sota del punt d'entrada en pèrdua fins i tot a velocitats on aquestes entrades no haurien de passar. Quan això passa els grans negocis pèrdua i com l'extrem està estès cap a la cua, l'elevació neta es mou cap endavant. Això causa que l'avió es llanci cap amunt, conduint a més entrada en Peridà de les ales, portant a un llançament major i així. Aquest problema ve sent conegut com a Sabre dance en referència als North American F-86 Sabre que van tenir accidents com a resultats d'aterratges.
Es van desenvolupar diverses solucions per aquest problema. Una va ser l'agregat d'una faixa de metall anomenada wing fence sobre la superfície superior de l'ala per canalitzar el flux cap enrere (aquesta solució es va usar per exemple en el MiG-15), un altre disseny similar va ser l'agregat d'un tall de dent de gos a l'extrem davanter (Avro Arrow). Altres dissenys seguir idees més radicals, incloent l'ala de l'XF-91 Thunderceptor que augmentava el seu gruix cap a l'extrem per proveir més força d'enlairament i els britànics es van inclinar per una mitja lluna compound sweep o ala simitarra que reduïa l'escombrat al llarg de l'envergadura, utilitzat en el Handley Page Victor, un dels Bombarders Sèrie V.
Les solucions modernes al problema no van necessitar més dissenys "personalitzats" com aquest. L'addició de tauletes a l'extrem frontal i un gran dispositiu hipersustentador en les ales ha resolt bastant bé el problema. En dissenys de combatem l'addició de LEXs, inclosos per a alta maniobrabilitat, també serveixen per a afegir empenta durant l'aterratge i reduir el problema.
L'ala en fletxa té diversos problemes més. Un és que qualsevol, la força de l'ala, l'envergadura real extrem a extrem és més curta que la de qualsevol ala que no és en fletxa. L'arrossegament a baixa velocitat està correlacionat amb la relació d'aspecte, l'envergadura comparada amb la corda, tal que una ala en fletxa sempre té més arrossegament a baixa velocitat. Un altre problema és el torque aplicat per l'ala del fuselatge, tant que l'empenta de l'ala baixa per darrere del punt on l'arrel de l'ala es connecta a l'avió. Finalment, mentre que és realment fàcil ubicar els sparse principals de l'ala a través del fuselatge en un disseny d'ala recte per a utilitzar una única peça de metall contínua, això no és possible en l'ala en fletxa perquè els sparse es trobarien en aquest angle.
Ala en fletxa invertida
modifica
Un dels dissenys alares menys estables aerodinàmicament és el de les ales en fletxa invertida. Tot i això, aquest disseny proporciona a l'avió una extraordinària agilitat i maniobrabilitat. L'Grumman X-29 de 1984 va ser un projecte experimental que va permetre provar la millora de la maniobrabilitat que aportava aquesta tecnologia. L'La seva-47 Berkut és un altre notable exemple d'ocupació d'aquesta solució tècnica. Amb les ales en fletxa invertida es fan necessaris els sistemes de vol assistits per ordinador i els sistemes de control per senyals elèctrics. Si l'angle de la fletxa invertida no és excessiu, la inestabilitat no és tan acusada. De fet, és una configuració utilitzada en molts planador és biplaces per tal de fer coincidir el centre de masses i el centre d'empenta de l'aeronau. Això és necessari per permetre que el naixement de les ales Spar estigui situat després del seient del darrere de l'aparell.
Vegeu també
modifica- Ala en delta
- Planform
- Sweep theory
- Nombre de Mach
- Teoria de von Karman, primer a reconèixer les importància de la forma de les ales en forma de fletxa.
Referències
modifica- ↑ Varis, En què consisteix el flutter i el buffer? - Escola de Vol, número 249 de Avió Revue, Motorpress Ibèrica, Madrid, març de 2003
Enllaços externs
modifica- # search =% 22swept% 20wings% 22 Swept Wings and Effective dihedral Arxivat 2008-09-20 a Wayback Machine.
- Supersonic wing designs Arxivat 2006-12-31 a Wayback Machine.
- jbaugher1/p63_11.html The L-39 and swept wing research Arxivat 2004-11-20 a Wayback Machine.
- Swept wings and lateral stability Arxivat 2007-02-02 a Wayback Machine.