Ala delta - Delta wing

El Dassault Mirage III fue uno de los tipos de alas delta más exitosos

Un ala delta es un ala en forma de triángulo. Se llama así por su similitud en forma con la letra mayúscula griega delta (Δ).

Aunque estudiado durante mucho tiempo, no encontró aplicaciones significativas hasta la era de los reactores, cuando resultó adecuado para vuelos subsónicos y supersónicos de alta velocidad. En el otro extremo de la escala de velocidad, el ala flexible Rogallo demostró ser un diseño práctico para el ala delta y otros aviones ultraligeros . La forma del ala delta tiene características aerodinámicas y ventajas estructurales únicas. Muchas variaciones de diseño han evolucionado a lo largo de los años, con y sin superficies estabilizadoras adicionales.

Características generales

Estructura

La cuerda de raíz larga del ala delta y la estructura mínima del exterior lo hacen estructuralmente eficiente. Puede construirse más fuerte, más rígida y al mismo tiempo más liviana que un ala en flecha de capacidad de elevación equivalente. Debido a esto, es fácil y relativamente económico de construir, un factor sustancial en el éxito de los aviones MiG-21 y Mirage.

Su cuerda de raíz larga también permite una estructura más profunda para una sección de perfil aerodinámico determinada, proporcionando más volumen interno para el combustible y otros almacenamientos sin un aumento significativo de la resistencia. Sin embargo, en los diseños supersónicos, a menudo se aprovecha la oportunidad de utilizar un perfil aerodinámico más delgado para reducir realmente la resistencia.

Aerodinámica

Vuelo a baja velocidad

Las alas delta puras exhiben separación de flujo en altos ángulos de ataque y alta resistencia a bajas velocidades.

A bajas velocidades, un ala delta requiere un alto ángulo de ataque para mantener la sustentación. Un delta delgado crea un patrón de vórtice característico sobre la superficie superior que mejora la sustentación. A algunos tipos con barrido intermedio se les han dado "bigotes" retráctiles o extensiones de raíz fijas en el borde de ataque (LERX) para estimular la formación de vórtices.

A medida que aumenta el ángulo de ataque , el borde de ataque del ala genera un vórtice que energiza el flujo en la superficie superior del ala, retrasando la separación del flujo y dando al delta un ángulo de pérdida muy alto . Un ala normal construida para uso a alta velocidad generalmente tiene características indeseables a bajas velocidades, pero en este régimen, el delta cambia gradualmente a un modo de sustentación basado en el vórtice que genera, un modo en el que tiene características de vuelo suaves y estables.

La elevación del vórtice tiene el costo de una mayor resistencia, por lo que se necesitan motores más potentes para mantener el vuelo a baja velocidad o con un alto ángulo de ataque.

Vuelo transónico y supersónico bajo

Convair hizo varios deltas supersónicos. Este es un F-106 Delta Dart , un desarrollo de su anterior F-102 Delta Dagger

Con un ángulo de barrido hacia atrás lo suficientemente grande, en el rango de velocidad transónica a supersónica baja , el borde de ataque del ala permanece detrás del límite de la onda de choque o el cono de choque creado por la raíz del borde de ataque.

Esto permite que el aire debajo del borde de ataque fluya hacia afuera, hacia arriba y alrededor de él, y luego hacia adentro creando un patrón de flujo lateral. La distribución de la sustentación y otras características aerodinámicas están fuertemente influenciadas por este flujo lateral.

El ángulo de barrido hacia atrás reduce la velocidad aerodinámica normal al borde de ataque del ala, lo que permite que la aeronave vuele a alta velocidad subsónica , transónica o supersónica, mientras se mantienen las características de elevación subsónica del flujo de aire sobre el ala.

Dentro de este régimen de vuelo, la caída del borde de ataque dentro del cono de choque aumenta la sustentación pero no la resistencia. Esta inclinación cónica del borde de ataque se introdujo en el Convair F-102A Delta Dagger de producción al mismo tiempo que el diseño del prototipo se modificó para incluir la regla de área . También apareció en los siguientes dos deltas de Convair, el F-106 Delta Dart y el B-58 Hustler .

Waveriding supersónico de alta velocidad

A altas velocidades supersónicas, el cono de choque del borde de ataque se inclina más hacia atrás para quedar a lo largo de la superficie del ala detrás del borde de ataque. Ya no es posible que se produzca el flujo lateral y las características aerodinámicas cambian considerablemente. Es en este régimen de vuelo que la técnica de waverider, tal como se usa en el XB-70 Valkyrie de América del Norte , se vuelve practicable. Aquí, un cuerpo de choque debajo del ala crea una onda de choque adjunta y la alta presión asociada con la ola proporciona una elevación significativa sin aumentar la resistencia.

Variaciones de diseño

Aérospatiale-BAC Concorde muestra su ala conopial

Las variantes del plano del ala delta ofrecen mejoras a la configuración básica.

Canard delta  : muchos aviones de combate modernos, como el JAS 39 Gripen , el Eurofighter Typhoon y el Dassault Rafale, utilizan una combinación de planos de proa canard y un ala delta.

Delta de cola  : agrega un plano de cola convencional (con superficies de cola horizontales) para mejorar el manejo. Común en tipos soviéticos como el Mikoyan-Gurevich MiG-21 .

Delta recortada  : la punta está cortada. Esto ayuda a mantener la sustentación fuera de borda y reduce la separación del flujo de la punta del ala (estancamiento) en ángulos de ataque altos. La mayoría de los deltas se recortan al menos en cierto grado.

En el delta compuesto , doble delta o flecha acodado , el borde de ataque no es recta. Normalmente, la sección interior tiene un mayor barrido, creando un vórtice controlado de gran elevación sin la necesidad de un plano de proa. Los ejemplos incluyen el caza Saab Draken , el prototipo General Dynamics F-16XL y el estudio de transporte civil de alta velocidad . El delta del conopial (odelta ojival ) utilizado en el anglo-francés Concorde Mach 2 avión de línea es similar, pero con las dos secciones y la punta del ala recortada se combinó en una suave ogee curva.

""
Delta sin cola
""
Delta de cola
""
Delta recortada
""
Delta compuesto
""
Flecha acodada
""
Delta ojival

Delta sin cola

El Saab 35 Draken fue un exitoso diseño de doble delta sin cola

Al igual que otras aeronaves sin cola , el ala delta sin cola no es adecuada para cargas de ala altas y requiere un área de ala grande para un peso de aeronave dado. Los perfiles aerodinámicos más eficientes tienen un paso inestable y el tipo sin cola debe utilizar un diseño menos eficiente y, por lo tanto, un ala más grande. Las técnicas utilizadas incluyen:

  • Usar un perfil aerodinámico menos eficiente que sea inherentemente estable, como una forma simétrica con curvatura cero, o incluso una curvatura refleja cerca del borde de fuga,
  • Usar la parte trasera del ala como estabilizador horizontal con carga ligera o incluso negativa:
    • Girando el borde de ataque exterior hacia abajo para reducir la incidencia de la punta del ala, que está detrás del centro principal de sustentación. Esto también mejora las características de pérdida y puede beneficiar al crucero supersónico de otras formas.
    • Moviendo el centro de masa hacia adelante y recortando el elevador para ejercer una fuerza aerodinámica equilibrada. En el extremo, esto reduce la capacidad de la nave para inclinar el morro hacia arriba para despegar y aterrizar.

Las principales ventajas del delta sin cola son la simplicidad estructural y el peso ligero, combinados con una baja resistencia aerodinámica. Estas propiedades ayudaron a hacer del Dassault Mirage III uno de los cazas supersónicos más fabricados de todos los tiempos.

Delta de cola

Un estabilizador de cola convencional permite optimizar el ala principal para la elevación y, por lo tanto, ser más pequeña y estar más cargada. El desarrollo de aviones equipados con esta configuración se remonta a finales de la década de 1940.

Cuando se usa con una cola en T, como en el Gloster Javelin , al igual que otras alas, un ala delta puede dar lugar a una " pérdida profunda " en la que el alto ángulo de ataque en la pérdida hace que la estela turbulenta del ala atascada envuelva la cola. Esto hace que el ascensor sea ineficaz y el avión no pueda recuperarse de la pérdida. En el caso del Javelin, se desarrolló e implementó un dispositivo de advertencia de pérdida para el Javelin luego de la pérdida temprana de un avión en tales condiciones. Según los informes, el equipo de diseño de Gloster había optado por usar una configuración delta con cola por necesidad, buscando lograr una maniobrabilidad efectiva a velocidades relativamente altas para la época, al tiempo que requería una capacidad de control adecuada cuando se volaba a las velocidades de aterrizaje más lentas deseadas.

Delta de Canard

El Eurofighter Typhoon tiene una configuración de ala delta canard.

Un delta de canard de elevación puede ofrecer un desplazamiento más pequeño en el centro de elevación con un número de Mach creciente en comparación con una configuración de cola convencional.

Un canard descargado o flotante puede permitir una recuperación segura de un alto ángulo de ataque. Dependiendo de su diseño, una superficie de canard puede aumentar o disminuir la estabilidad longitudinal de la aeronave.

Un plano delantero delta canard crea su propio vórtice de arrastre. Si este vórtice interfiere con el vórtice del ala delta principal, esto puede afectar negativamente el flujo de aire sobre el ala y causar un comportamiento no deseado e incluso peligroso. En la configuración de acoplamiento cerrado, el vórtice canard se acopla con el vórtice principal para mejorar sus beneficios y mantener el flujo de aire controlado a través de una amplia gama de velocidades y ángulos de ataque. Esto permite una mejor maniobrabilidad y velocidades de pérdida más bajas, pero la presencia del plano de proa puede aumentar la resistencia a velocidades supersónicas y, por lo tanto, reducir la velocidad máxima de la aeronave.

Historia

Investigaciones tempranas

Las aletas estabilizadoras triangulares para cohetes fueron descritas ya en 1529-1556 por el ingeniero militar austríaco Conrad Haas y en el siglo XVII por el ingeniero militar polaco-lituano Kazimierz Siemienowicz . Sin embargo, un verdadero ala de elevación en forma de delta no apareció hasta 1867, cuando fue patentada por JW Butler y E. Edwards en un diseño para un avión propulsado por cohete con forma de dardo y relación de aspecto baja. Esta innovación pronto fue seguida por varias otras propuestas, como una versión biplano de Butler y Edwards, y una versión propulsada por jet del ruso Nicholas de Telescheff.

En 1909, el pionero aeronáutico británico JW Dunne patentó su avión estable sin cola con forma de ala cónica. La patente incluía un delta bicónico de forma algo más amplia, con cada lado abombado hacia arriba hacia la parte trasera de una manera característica del ala moderna de Rogallo . Durante el año siguiente, UG Lee y WA Darrah patentaron un avión bicónico con alas delta similar en Estados Unidos, pero con un ala explícitamente rígida. También incorporó una propuesta para un sistema de control de vuelo y cubrió tanto el vuelo sin motor como el planeador. Cabe señalar que ninguno de estos primeros diseños había volado con éxito aunque, en 1904, el ala delta de Lavezzani con alas triangulares independientes izquierda y derecha había abandonado el suelo, y los otros diseños de barrido sin cola de Dunne basados ​​en el mismo principio volarían.

El práctico ala delta fue iniciada por el diseñador aeronáutico alemán Alexander Lippisch en los años posteriores a la Primera Guerra Mundial , utilizando un ala en voladizo gruesa sin cola. Sus primeros diseños, para los que acuñó el nombre "Delta", utilizaban un ángulo muy suave para que el ala pareciera casi recta y las puntas de las alas tuvieran que ser recortadas (ver más abajo). Su primer avión con alas delta voló en 1931, seguido de cuatro ejemplos mejorados sucesivamente. Ninguno de estos prototipos fue fácil de manejar a baja velocidad, mientras que ninguno tuvo un uso generalizado.

Ala gruesa subsónica

El bombardero Avro Vulcan tenía un ala gruesa

Durante los últimos años de la Segunda Guerra Mundial , Alexander Lippisch refinó sus ideas sobre el delta de alta velocidad, aumentando sustancialmente el barrido del borde de ataque del ala. Un avión experimental, el Lippisch DM-1 , fue construido en 1944 y voló como planeador en pruebas de manejo a baja velocidad. Tras el final del conflicto, el proyecto DM-1 continuó en nombre de los Estados Unidos , como resultado de lo cual, el DM-1 fue enviado a Langley Field en Virginia para ser examinado por NACA (Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, precursor de la NASA actual ) Sufrió alteraciones significativas en los EE. UU., Por lo general para reducir su resistencia, lo que resultó en el reemplazo de su gran estabilizador vertical con una contraparte más pequeña y convencional, junto con un dosel de cabina normal tomado de un Lockheed P-80 Shooting Star . El Lippisch P.13a fue un estudio de diseño de seguimiento para un avión interceptor de alta velocidad, posiblemente incluso supersónico .

El trabajo del diseñador francés Nicolas Roland Payen fue similar al de Lippisch. Durante la década de 1930, había desarrollado una configuración delta en tándem con un ala delantera recta y un ala trasera delta empinada, pero el estallido de la Segunda Guerra Mundial detuvo las pruebas de vuelo del Pa-22 , aunque el trabajo continuó durante un tiempo después de la proyecto atrajo la atención alemana. Durante la era de la posguerra , Payen voló un jet delta sin cola experimental, el Pa.49 , en 1954, así como la serie Arbalète con configuración de empujador sin cola de 1965. Se propusieron otros derivados basados ​​en el trabajo de Payen, pero finalmente no se desarrollaron.

Después de la guerra, los británicos desarrollaron una serie de aviones a reacción subsónicos que aprovecharon los datos recopilados del trabajo de Lippisch. Uno de esos aviones, el avión de investigación Avro 707 , realizó su primer vuelo en 1949. Los aviones militares británicos como el Avro Vulcan (un bombardero estratégico ) y el Gloster Javelin (un caza para todo clima) estuvieron entre los primeros aviones equipados con delta en ingresar producción. Mientras que el Vulcan era un diseño clásico sin cola, el Javelin incorporó un plano de cola para mejorar el manejo a baja velocidad y la maniobrabilidad a alta velocidad, así como para permitir un mayor rango de centro de gravedad . Según el autor de aviación Tony Buttler, Gloster había promovido sin éxito un refinamiento del Javelin que, entre otros cambios, habría disminuido el grosor de su ala para lograr velocidades supersónicas de hasta Mach 1.6.

Ala delgada supersónica

El caza MiG-21 tenía una cola convencional.

El aerodinámico estadounidense Robert T. Jones, que trabajó en la NACA durante la Segunda Guerra Mundial, desarrolló la teoría del ala delta delgada para el vuelo supersónico. Publicado por primera vez en enero de 1945, su enfoque contrastó con el de Lippisch en gruesas alas delta. El ala delgada proporcionó una base exitosa para todos los deltas supersónicos prácticos y fue ampliamente adoptada.

A fines de la década de 1940, el fabricante de aviones británico Fairey Aviation se interesó en el ala delta, y sus propuestas llevaron a que el Fairey Delta 1 experimental se produjera según la Especificación E.10 / 47 del Ministerio del Aire . Un avión experimental posterior, el Fairey Delta 2 , demostró ser capaz de obtener velocidades superiores a cualquier otro avión convencional existente en ese momento. El 10 de marzo de 1956, el Fairey Delta 2 rompió el récord mundial de velocidad aérea , elevándolo a 1,132 mph (1,811 km / h) o Mach 1,73. Este logro superó el récord de velocidad aérea registrado anteriormente en 310 mph, o 37 por ciento; nunca antes se había elevado el récord con un margen tan amplio.

En su forma original sin cola, el delta delgado fue utilizado ampliamente por la compañía de aviación estadounidense Convair y por el fabricante de aviones francés Dassault Aviation . El Convair F-102 Delta Dagger y Douglas F4D Skyray fueron dos de los primeros aviones de combate operativos en presentar el ala delta sin cola cuando entraron en servicio en 1956. El interés de Dassault en el ala delta produjo la familia de aviones de combate Dassault Mirage , especialmente el altamente exitoso Mirage III . Entre otros atributos, el Mirage III fue el primer avión de combate de Europa occidental en superar Mach 2 en vuelo horizontal.

La configuración delta con cola fue adoptada por el TsAGI (Central Aero and Hydrodynamic Institute, Moscú ), para mejorar el manejo de alto ángulo de ataque , la maniobrabilidad y el rango del centro de gravedad sobre una forma en planta delta pura. El Mikoyan-Gurevich MiG-21 ("Fishbed") se convirtió en el avión de combate más utilizado de la década de 1970.

Canard monobloque

El Saab Viggen fue pionero en el canard de acoplamiento cerrado

Durante la década de 1960, el fabricante de aviones sueco Saab AB desarrolló una configuración delta canard de acoplamiento cerrado, colocando un plano de proa delta justo delante y encima del ala delta principal. Patentado en 1963, esta configuración se voló por primera vez en el avión de combate Viggen de la compañía en 1967. El acoplamiento estrecho modifica el flujo de aire sobre el ala, más significativamente cuando se vuela en ángulos de ataque altos. A diferencia de los ascensores de cola clásicos, los canards se suman a la sustentación total y estabilizan el flujo de aire sobre el ala principal. Esto permite maniobras más extremas, mejora el manejo a baja velocidad y reduce la carrera de despegue y la velocidad de aterrizaje. Durante la década de 1960, esta configuración se consideró radical, pero el equipo de diseño de Saab consideró que era el enfoque óptimo disponible para satisfacer las demandas de rendimiento conflictivas del Viggen, que incluían un rendimiento STOL favorable , velocidad supersónica, baja sensibilidad a la turbulencia durante vuelos de bajo nivel. y elevación eficiente para vuelo subsónico.

Si bien la configuración fue pionera en el Viggen, desde entonces se ha vuelto comúnmente utilizada por varios aviones de combate supersónicos. Varios ejemplos notables incluyen el Eurofighter Typhoon multinacional , el Dassault Rafale de Francia , el Gripen de Saab (sucesor del Viggen) y el IAI Kfir de Israel ; Según los autores de aviación Bill Gunston y Peter Gilchrist, una de las principales razones de la popularidad del arreglo de acoplamiento estrecho ha sido los sobresalientes niveles de agilidad aérea que es capaz de proporcionar.

Transporte supersónico

Cuando se desarrollaron los aviones de transporte supersónico (SST), se eligió el ala delta ojival sin cola tanto para el Concorde anglo-francés como para el Tupolev Tu-144 soviético , el Tupolev voló por primera vez en 1968. Mientras que tanto el Concorde como el Tu-144 presentaban un prototipo Configuración delta ojival , los modelos de producción del Tu-144 diferían al cambiar a un ala delta doble . Las alas delta requerían que estos aviones adoptaran un ángulo de ataque más alto a bajas velocidades que los aviones convencionales; en el caso del Concorde, la sustentación se mantuvo permitiendo la formación de grandes vórtices de baja presión sobre toda la superficie superior del ala. Su velocidad de aterrizaje típica era de 170 millas por hora (274 km / h), considerablemente más alta que la de los aviones subsónicos. Múltiples sucesores propuestos, como el Zero Emission Hyper Sonic Transport ZEHST), han adoptado una configuración similar al diseño básico de ese Concorde, por lo que el ala Delta sigue siendo un candidato probable para futuros esfuerzos civiles supersónicos.

Ala flexible Rogallo

Este ala delta es un delta de Rogallo relativamente amplio y ligeramente barrido.

Durante y después de la Segunda Guerra Mundial, Francis y Gertrude Rogallo desarrollaron la idea de un ala flexible que podría colapsarse para su almacenamiento. Francis vio una aplicación en la recuperación de naves espaciales y la NASA se interesó. En 1961 Ryan voló el XV-8 , un "Jeep volador" experimental o "fleep". El ala flexible elegida para él era un delta y, en uso, se hinchaba en un perfil de doble cono que le daba estabilidad aerodinámica. Aunque se probó pero nunca se usó para la recuperación de naves espaciales, este diseño pronto se hizo popular entre los planeadores y aviones ultraligeros y se ha hecho conocido como el ala Rogallo.

Ver también

Referencias

Citas

Bibliografía

  • Allward, Maurice. Aviones militares de posguerra: Gloster Javelin . Ian Allan, 1999. ISBN  978-0-711-01323-0 .
  • Bradley, Robert (2003). "El nacimiento del ala Delta". Mermelada. Hist. De aviación Soc .
  • Buttler, Tony (2017). Jet Fighters desde 1950 . Proyectos secretos británicos 1 (2ª ed.). Manchester: Crecy Publishing. ISBN 978-1-910-80905-1.
  • Gunston, Bill y Peter Gilchrist. Bombarderos a reacción: desde el Messerschmitt Me 262 hasta el Stealth B-2 . Osprey, 1993. ISBN  1-85532-258-7 .
  • Mason WH "Configuración Aerodinámica". Archivado el 14 de septiembre de 2015 en Wayback Machine AOE 4124, Virginia Tech.
  • Orlebar, Christopher (2004). La historia de Concorde . Oxford, Reino Unido: Osprey Publishing. ISBN 978-1-85532-667-5.
  • Patridge, J. The Gloster Javelin 1–6: Número 179. Publicaciones de perfil, 1967.
  • Schrader, Richard K (1989). Concorde: La historia completa del SST anglo-francés . Kent, Reino Unido: Pictorial Histories Pub. Co. ISBN 978-0-929521-16-9.
  • Warwick, Graham. "Interceptor Viggen". Archivado el 13 de marzo de 2016 en Wayback Machine Flight International , el 27 de septiembre de 1980. págs. 1260–65.
  • Roskam, Jan. Diseño de aviones: diseño de la cabina, fuselaje, ala y empenaje: cortes y perfiles internos. DARcorporation, 2002. ISBN  1-8848-8556-X .

enlaces externos