El barrido hacia atrás (¡y hacia adelante!) Fue utilizado por primera vez por los alemanes cerca del final de la Segunda Guerra Mundial.
Sin embargo, el primer bombardero de ala barrida de los alemanes fue el Ju-287, un diseño barrido hacia adelante.
Es un hecho reconocido que las alas barridas pueden retrasar y posponer los efectos de la compresibilidad a velocidades de aire más altas, tanto que las alas barridas 45 ° o más permiten velocidades de vuelo cercanas a Mach 1.0, la velocidad del sonido, mientras que un ala recta convencional sería meterse en problemas alrededor de Mach 0.7. Sin embargo, dado que las alas barridas se benefician simplemente por el hecho de que forman un ángulo con la corriente de aire, en realidad no importa si se barren hacia atrás o hacia adelante. Las alas barridas hacia atrás son más comunes, pero el barrido hacia adelante funciona igual de bien.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, los alemanes se esforzaban poderosamente por aprovechar la idea del ala barrida y habían diseñado numerosos combatientes y bombarderos experimentales con esta forma futurista. Sin embargo, su primer avión bombardero de ala barrida, el Junkers Ju-287, fue arrastrado hacia adelante.
▲ El Junkers Ju-287, con sus alas extendidas hacia adelante.
▲ El prototipo de Junkers Ju-287 muestra una disposición inusual de motores a reacción. Los cohetes de asistencia a reacción se colocan debajo de las góndolas para despegar.
▲ Los alemanes utilizaron mechones unidos a las alas del Ju-287 para estudiar el flujo de aire.
El diseño de Junkers representa los primeros pensamientos sobre las alas extendidas, cuando la idea en sí misma era nueva y se sabía poco de las ramificaciones más complicadas.
Se entiende que Rusia, que capturó la fábrica de Junkers intacta en Dessau, la despojó de todas las herramientas, troqueles, plantillas, etc., y transportó a los ingenieros y otro personal a Rusia. También se sabe que Rusia capturó los varios prototipos de Ju-287 que se habían construido.
Ahora se cree, sin embargo, que las características estructurales peculiares de las alas hacia adelante y su comportamiento bajo ciertas cargas aerodinámicas y el efecto de las masas dentro del ala crean más problemas que el barrido.
Los alemanes también tenían un caza operacional, el Me262, hacia el final de la guerra, que tenía alas desplegadas. El Me 262 era más rápido y estaba más armado que cualquier luchador aliado. Sin embargo, se dice que este retroceso fue impulsado más por consideraciones de CG que por cualquier requisito de alta velocidad.
▲ Un dibujo de ingeniería del Me262 ilustra claramente el barrido del ala.
Ala en flecha
A velocidades subsónicas, aumentar el ángulo de barrido aumenta el ala crítica Mach
número, es decir, el número de Mach en el que comienzan a aparecer los efectos adversos de la compresibilidad.
El número crítico de Mach de un ala es el número de Mach de vuelo del avión en el que el número de Mach local en algún punto del ala se convierte en 1.0. Con un número de Mach ligeramente superior a este valor crítico, se forman ondas de choque en el ala, y los aumentos adicionales de velocidad causan grandes cambios en las fuerzas, momentos y presiones en el ala.
▲ Qué significa el número de Mach crítico. En la imagen central, el avión está a 0.77 Mach, pero el flujo de aire sobre una parte de la superficie superior del ala se ha vuelto supersónico. Para este ala, 0.77 es su número de Critical Mach .
▲ Otra ilustración del número crítico de Mach.
Hasta finales de la década de 1930, los aviones se diseñaron asumiendo que el aire que fluía sobre las alas y otras superficies era esencialmente incompresible, como el agua. Sin embargo, a medida que aumentaban las velocidades y las altitudes, los efectos de la compresibilidad en el flujo sobre el avión comenzaron a cobrar mayor importancia.
La relación entre la velocidad de la aeronave y la velocidad del sonido proporciona un índice útil para medir la velocidad a la cual los efectos significativos de compresibilidad comienzan a manifestarse en una aeronave en particular. Esta relación se llama el número de Mach, en honor del famoso físico austriaco Ernst Mach. El número de Mach crítico se define como el número de Mach de vuelo de la aeronave en el que el número de Mach local sobre una parte de la aeronave, como la superficie superior del ala, por ejemplo, es igual a la unidad; es decir, el flujo en este punto ha alcanzado velocidad sónica.
Los grandes cambios en las presiones, fuerzas y momentos que actúan sobre un ala o cuerpo ocurren en números de Mach que exceden el valor crítico. Estos cambios en las características aerodinámicas resultan de la formación de ondas de choque y la separación del flujo concomitante detrás de la onda de choque.
Se producen reducciones precipitadas en el coeficiente de elevación con aumentos en el número de Mach más allá del valor crítico. El número de Mach en el que el levantamiento comienza a mostrar una fuerte disminución se reduce a medida que aumenta el ángulo de ataque, ya que el número crítico de Mach disminuye al aumentar el ángulo de ataque. También hay una gran reducción en la pendiente de la curva de elevación en los números Mach más altos.
Por ejemplo, con un número de Mach de 0.4, el coeficiente de elevación aumenta de 0.2 a aproximadamente 0.72 ya que el ángulo de ataque varía de 0 a 5, mientras que, con un número de Mach de 0.8, aumentar el ángulo de ataque de 0 a 5 resulta en un incremento en el coeficiente de elevación de solo alrededor de 0.2.
El coeficiente de arrastre muestra un gran aumento con el número de Mach a medida que el número de Mach aumenta más allá del valor crítico. Por ejemplo, en un ángulo de ataque de -1, el coeficiente de arrastre aumenta de aproximadamente 0.0 15 con un número de Mach de 0.65 a 0. 13 con un número de Mach de 0.9.
▲ El coeficiente de arrastre (Cd) muestra un gran aumento con el número de Mach después del número crítico de Mach .
Los aviones subsónicos generalmente no navegan a números Mach mucho más allá del valor crítico. Sin embargo, para el vuelo supersónico, el avión debe tener la potencia suficiente para superar la alta resistencia en el rango de velocidad transónica y ser capaz de controlar el vuelo a través de este caprichoso rango de números de Mach.
Durante muchos años, la reducción de la relación de espesor de la superficie de sustentación fue el único método conocido para aumentar el número crítico de Mach de ala en una cantidad significativa. Luego, en 1945, Robert T. Jones de NACA ofreció un avance fundamental cuando propuso el uso del barrido de alas como un medio para aumentar el número crítico de Mach. Busemann sugirió por primera vez el uso del barrido del ala para aumentar la eficiencia de los aviones destinados a volar a velocidad supersónica en 1935; La efectividad del barrido de alas como un medio para aumentar el número crítico de Mach había sido reconocida en Alemania antes de 1945, pero este trabajo era desconocido en los Estados Unidos hasta después de la Segunda Guerra Mundial.
La forma en que el barrido aumenta el número crítico de Mach se ilustra en la figura.
▲ El número crítico de Mach del ala está controlado solo por el flujo normal al borde de ataque (Vn) y es independiente del número de Mach paralelo al borde de ataque. Por lo tanto, el número de Mach de flujo libre (Vo), es decir, el número de Mach de vuelo de la aeronave, se resuelve en componentes normales y paralelos al borde de ataque del ala.
El supuesto de independencia de los dos componentes del número de Mach de la corriente es estrictamente cierto solo para el flujo invisible, pero el supuesto funciona razonablemente bien para predecir el efecto del barrido en el número crítico de alas de Mach que operan en flujos reales con viscosidad.
El ala barrida debe considerarse como la piedra angular del diseño aerodinámico de los modernos aviones a reacción de alta velocidad subsónica.
En comparación con un ala recta, el ala barrida ofrece aumentos significativos en el número de Mach de crucero y, al mismo tiempo, permite el uso de alas de grosor suficiente para permitir relaciones de aspecto lo suficientemente altas para obtener buenos valores de la relación de elevación-arrastre máxima.
La relación de aspecto, el ángulo de barrido, la relación de espesor de la superficie aerodinámica y el peso del ala necesarios para una adecuada resistencia y rigidez del ala están relacionados y requieren una serie compleja de estudios de compensación para llegar a un diseño óptimo para un conjunto dado de requisitos. El volumen interno requerido para el almacenamiento de combustible y la retracción del tren de aterrizaje también forma una parte importante de estos estudios de compensación.
El primer avión comercial Boeing, el Boeing 707, tenía un ángulo de barrido de ala de 35 grados. Todos los aviones comerciales posteriores de Boeing han tenido ángulos de barrido de ala cercanos a esa cifra.