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Regla de área

La distribución del área de la sección transversal a lo largo de toda la estructura del avión determina la resistencia de onda, independientemente en gran medida de la forma rea...

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La distribución del área de la sección transversal a lo largo de toda la estructura del avión determina la resistencia de onda, independientemente en gran medida de la forma real. Las figuras azules y verde claro tienen aproximadamente el mismo área.

La regla de área de Whitcomb , que recibe su nombre del ingeniero del Comité Asesor Nacional de Aeronáutica ( NACA ) de EE. UU. , Richard Whitcomb , y también se denomina regla de 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 de área supersónica , desarrollado por el aerodinamista de la NACA, Robert Jones .

El régimen transónico es uno de los rangos de velocidad más importantes para las aeronaves de ala fija, tanto comerciales como militares , en la actualidad, ya que la aceleración transónica es un requisito de rendimiento importante para los aviones de combate y se mejora mediante la reducción de la resistencia aerodinámica transónica.

Descripción

A velocidades de vuelo subsónicas elevadas, la velocidad local del flujo de aire puede alcanzar la velocidad del sonido cuando el flujo se acelera alrededor del fuselaje y las alas de la aeronave . La velocidad a la que se produce este fenómeno varía de una aeronave a otra y se conoce como número de Mach crítico . Las ondas de choque resultantes que se forman en estas zonas de flujo sónico provocan un aumento repentino de la resistencia aerodinámica , denominada resistencia de onda . Para reducir el número y la intensidad de estas ondas de choque, la forma aerodinámica debe variar su área de sección transversal de la forma más suave posible de adelante hacia atrás.

regla del área transónica

La regla del área establece que dos aviones con la misma distribución longitudinal de área de sección transversal tienen la misma resistencia de onda, independientemente de cómo se distribuya el área lateralmente (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 estar cuidadosamente diseñada para que el área de sección transversal cambie de la manera más suave posible desde la nariz hasta la cola. En la ubicación del ala, el fuselaje se estrecha o se achata. Puede ser necesario reducir el área de sección transversal del fuselaje aplanando los laterales del fuselaje debajo de una cabina de burbuja y en las superficies de la cola para compensar su presencia, modificaciones que se realizaron en el Hawker Siddeley Buccaneer . [ 1 ]

Regla del área supersónica

Una regla de área diferente, conocida como regla de área supersónica, desarrollada por el aerodinamista de la NACA Robert Jones en "Teoría de la resistencia ala-cuerpo a velocidades supersónicas" [ 2 ] , es aplicable a velocidades superiores a la transónica, y en este caso, el requisito de área de sección transversal se establece en relación con el ángulo del cono de Mach para la velocidad de diseño. Por ejemplo, considérese que a Mach 1.3 el ángulo del cono de Mach generado por la nariz de la aeronave será de μ = arcsin(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 sesgada hacia atrás; por lo tanto, las aeronaves diseñadas para una menor resistencia de onda a velocidad supersónica suelen tener alas hacia atrás. [ 2 ]

Carrocería Sears-Haack

Un concepto superficialmente relacionado es el cuerpo de Sears-Haack , cuya forma permite una mínima resistencia de onda para una longitud y un volumen dados. Sin embargo, la forma del cuerpo de Sears-Haack se deriva a partir de la ecuación de Prandtl-Glauert, que describe aproximadamente los flujos subsónicos con pequeñas perturbaciones, así como de la teoría de Ackeret, que describe con precisión el flujo supersónico. Ambos métodos pierden validez para los flujos transónicos, donde se aplica la regla del área, debido a las suposiciones realizadas en sus derivaciones. Por lo tanto, aunque la forma del cuerpo de Sears-Haack, al ser lisa, tendrá propiedades de resistencia de onda favorables según la regla del área, no es teóricamente óptima. [ 3 ]

Historia

Alemania

Dibujo de patente de Junkers de marzo de 1944.
La disposición inusual de los motores a reacción del Ju-287 se debe a la regla de área.

La regla del área fue descubierta por Otto Frenzl al comparar un ala en flecha con un ala en W con una resistencia de onda extremadamente alta [ 4 ] 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 utilizó en una patente presentada en 1944. [ 5 ] 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 "Nuevas formas fundamentales de aumentar el rendimiento de las aeronaves de alta velocidad". [ 6 ]

El diseño posterior de aeronaves alemanas durante la guerra tuvo en cuenta este descubrimiento, evidente en el fuselaje medio delgado de aviones como el Messerschmitt P.1112 , el P.1106 y el bombardero de largo alcance Focke-Wulf 1000x1000x1000 tipo A, pero también en diseños de ala delta como el Henschel Hs 135. Varios otros investigadores estuvieron cerca de desarrollar una teoría similar, en particular Dietrich Küchemann, quien diseñó un caza cónico que fue apodado "Küchemann Coke Bottle" cuando fue descubierto por las fuerzas estadounidenses en 1946. En este caso, Küchemann llegó a la teoría estudiando el flujo de aire, especialmente la interferencia, o líneas de corriente de flujo local, en la unión entre un fuselaje y un ala en flecha . El fuselaje fue contorneado, o estrechado, para coincidir con el flujo. El requisito de forma de este enfoque de "campo cercano" también resultaría del enfoque posterior de "campo lejano" de Whitcomb para la reducción de la resistencia aerodinámica utilizando su regla del área sónica. [ 7 ]

Estados Unidos

Wallace D. Hayes , pionero del vuelo supersónico , desarrolló la regla del área transónica en publicaciones que comenzaron en 1947 con su tesis doctoral en el Instituto Tecnológico de California . [ 8 ]

Abril de 1955: Whitcomb examina un modelo de avión diseñado de acuerdo con su regla de área.

Richard T. Whitcomb , de quien toma su nombre la regla, la descubrió de forma independiente en 1952, mientras trabajaba en el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA). Al usar el nuevo túnel de alta velocidad de 2,4 m (8 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 aerodinámica debido a la formación de ondas de choque. Whitcomb se dio cuenta de que, para fines analíticos, un avión podía reducirse a un cuerpo aerodinámico de revolución, alargado lo máximo posible para mitigar las discontinuidades abruptas y, por lo tanto, el aumento igualmente abrupto de la resistencia aerodinámica. [ 9 ] Las ondas de choque podían verse mediante fotografía Schlieren , pero la razón por la que se creaban a velocidades muy inferiores a 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 aerodinamista alemán que se había trasladado a Langley tras la Segunda Guerra Mundial . Habló sobre el comportamiento del flujo de aire alrededor de un avión a medida que su velocidad se aproximaba al número Mach crítico. Mientras que los ingenieros estaban acostumbrados a pensar en el aire fluyendo suavemente alrededor del fuselaje, a altas velocidades simplemente no tenía tiempo de "apartarse" y, en cambio, comenzaba a fluir como si fueran tuberías rígidas, un concepto al que Busemann se refería como "tubos de corriente", en contraposición a las líneas de corriente , y sugirió en tono jocoso que los ingenieros debían considerarse a sí mismos "montadores de tuberías".

Varios días después, Whitcomb tuvo una revelación . La razón de la alta resistencia aerodinámica era que los "conductos" de aire interferían entre sí en tres dimensiones. Ya no bastaba con considerar el aire que fluía sobre una sección transversal bidimensional de la aeronave, como se hacía antes; ahora también había que tener en cuenta el aire a los "laterales" de la aeronave, que también interactuaría con estos conductos. Whitcomb comprendió que el diseño debía aplicarse a la aeronave en su conjunto , y no solo al fuselaje. Esto significaba que la superficie transversal adicional de las alas y la cola debía considerarse en el diseño general, y que el fuselaje debía estrecharse en la unión de estas para ajustarse mejor al ideal.

Aplicaciones

El primer avión en el que se implementó la regla de área fue el bombardero alemán Junkers Ju-287 (1944), utilizado como banco de pruebas. [ 10 ] Otros diseños alemanes correspondientes no se completaron debido al fin de la guerra o incluso quedaron en la etapa de planificación.

Cuando Whitcomb redescubrió la regla del área, esta se puso a disposición de la industria aeronáutica estadounidense de forma secreta para programas militares a partir de 1952 [ 11 ] y se informó en 1957 para programas civiles. [ 12 ] Convair y Grumman, con la ayuda de Whitcomb, la utilizaron simultáneamente para diseñar el Grumman F-11 Tiger y para rediseñar el Convair F-102 . [ 13 ] 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. [ 14 ] 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 resistencia en el túnel de viento. [ 15 ] [ 16 ] Las modificaciones, que incluyeron la indentación del fuselaje junto a las alas y el aumento de volumen en 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 utilizar la regla del área en estos aviones de combate fue reducir el valor máximo de la resistencia que se produce a Mach 1 y, por lo tanto, permitir velocidades supersónicas con menos empuje del que habría sido necesario de otro modo.

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 (80 km/h) . [ 12 ] 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 de la onda de choque, lo que la debilitó y redujo la resistencia asociada. El Convair 990 tenía protuberancias llamadas cuerpos antichoque añadidas 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 causó velocidades supersónicas y fue la fuente de una resistencia significativa. Se aplicó una técnica de regla de área, llamada 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 propuesta de ala en M, en la que el ala se inclinaba primero hacia adelante y luego hacia atrás. Esto permitió estrechar el fuselaje tanto delante como detrás de la raíz, lo que dio como resultado un fuselaje más aerodinámico que, en promedio, seguía siendo más ancho que uno con un ala en flecha clásica.

La extensión detrás de la cabina de vuelo en el Rockwell B-1 Lancer y el Boeing 747 se agregó para mejorar la distribución del área de la sección transversal según la regla del área. [ 17 ]

Los aviones diseñados según la regla de área de Whitcomb (como el F-102 Delta Dagger y el Northrop F-5 ) parecían extraños cuando aparecieron por primera vez y a veces se les apodaba " botellas de Coca-Cola voladoras ", pero esto se convirtió en parte esperada de la apariencia de algunos aviones transónicos. Las indicaciones visuales evidentes de que la regla de área ha definido la forma de un avión son el "adelgazamiento" del fuselaje y la forma de los tanques de punta de ala como en el Northrop F-5 , y el adelgazamiento de la parte trasera del fuselaje en los jets ejecutivos con motores traseros como el Bombardier Global Express . La regla también requiere una colocación cuidadosa de las piezas, como los propulsores y la bodega de carga en los cohetes y la forma y ubicación de la cabina en el F-22 Raptor .

La regla del área supersónica se aplicó, a Mach 2, al prototipo del Concorde . El fuselaje trasero se extendió 12,2 pies (3,73 m) en el avión de producción y redujo la resistencia de onda en un 1,8 %. [ 18 ] 

Imágenes

Véase también

Notas

  1. ↑ Del Spitfire al Eurofighter: 45 años de diseño de aviones de combate, Roy Boot, ISBN 1 85310 093 5pág. 93
  2. 1 2 Jones, Robert T (1956), Teoría de la resistencia aerodinámica entre el ala y el fuselaje a velocidades supersónicas (PDF) (informe), Reino Unido : NACA, 1284, archivado del original (PDF) el 5 de diciembre de 2020 , consultado el 12 de septiembre de 2008.
  3. ↑ Spencer, B. Jr; Stivers, LS Jr (octubre de 1967). "Estudios de formas corporales óptimas a velocidades hipersónicas" (PDF) . Servidor de informes técnicos de la NASA . Consultado el 4 de noviembre de 2022 .
  4. ↑ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [ Barrido de ala y regla de área, dos patentes alemanas básicas de aerodinámica aeronáutica ] (PDF) (en alemán), München, DE : Deutsches Museum, archivado desde el original (PDF) el 19 de julio de 2011 , recuperado 2010-11-06.
  5. ↑ Patentschrift zur Flächenregel [ Patente para la regla del área ] (PDF) (en alemán), 21 de marzo de 1944.
  6. ↑ Meier, Hans-Ulrich (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ El desarrollo del ala en flecha en Alemania hasta 1945 ] (en alemán), Bernard & Graefe, págs. 166–99 , ISBN  3-7637-6130-6.
  7. ↑ Diseño para aeronaves de combate, Ray Whitford 1987, ISBN 0 7106 0426 2Figura 161
  8. ↑ Wallace Hayes (obituario), Princeton.
  9. ↑ Hallion, Richard P. "La NACA, la NASA y la frontera supersónica-hipersónica" (PDF) . NASA . Servidor de informes técnicos de la NASA . Consultado el 8 de septiembre de 2011 .
  10. ↑ Meier, Hans-Ulrich (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ El desarrollo del ala en flecha en Alemania hasta 1945 ] (en alemán), Bernard & Graefe, págs. 166–99 , ISBN  3-7637-6130-6.
  11. ↑ "Semana de la Aviación 1955-09-12" . 12 de septiembre de 1955.
  12. 1 2 "Semana de la Aviación: 12 de agosto de 1957" . McGraw-Hill. 12 de agosto de 1957. pág. 29. Consultado el 4 de noviembre de 2022 . 
  13. ↑ "Semana de la Aviación: 12 de septiembre de 1955" . McGraw-Hill. 12 de septiembre de 1955. pág. 12. Consultado el 4 de noviembre de 2022 . 
  14. ↑ Diseño para el combate aéreo, Ray Whitford, ISBN 0 7106 0426 2pág. 156
  15. ↑ Los aviones de combate del mundo. Cuarta edición, completamente revisada, William Green, 1964, MacDonald & Co. (Editores) Ltd., Gulf House, 2 Portman Street, Londres W.1, pág. 136.
  16. ↑ Wallace 1998 , pág. 144.
  17. ↑ Wallace 1998 , pág. 147.
  18. ↑ Estudio de caso de Aerospatiale y British Aerospace sobre el Concorde, por Jean Rech y Clive S. Leyman, AIAA Professional Study Series, Fig. 3.6

Bibliografía

  • Wallace, Lane E (1998). "5". En Mack, Pamela E (ed.). La regla del área de Whitcomb: Investigación e innovación en aerodinámica de la NACA . NASA. págs. 144–47 . Recuperado el 29 de agosto de 2012 . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  • Explicación de la regla de área , Aerospace Web.
  • Regla de área de Whitcomb y zanahorias de Küchemann , Aerospace Web.
  • Documento DGLR archivado el 6 de agosto de 2016 en Wayback Machine.
  • Sistema de búsqueda de patentes alemán : busque la patente DE 932410, presentada el 21 de marzo de 1944.
  • 2004: El uso excesivo aumenta la resistencia, pero aún así reduce el estampido que se escucha en tierra (NASA).
  • Véase la imagen 4 para un ejemplo extremo: fuselaje antes del ala , PBS.
  • La regla del área de Whitcomb: Investigación e innovación en aerodinámica de la NACA , historia de la NASA.
  • Whitcomb, Richard T. (enero de 1956). Estudio de las características de ascenso de la resistencia aerodinámica en condiciones de sustentación cero en combinaciones de ala y fuselaje cerca de la velocidad del sonido (Informe técnico). Comité Asesor Nacional de Aeronáutica. hdl : 2060/19930092271 – vía Servidor de Informes Técnicos de la NASA.
  • Informes y explicaciones contemporáneas de la regla de área , Archivos globales de vuelo