Ala voladora

Un ala volante es una aeronave de ala fija sin cola que no tiene fuselaje definido , con su tripulación, carga útil, combustible y equipo alojados dentro de la estructura del ala principal. Un ala volante puede tener varias protuberancias pequeñas como cápsulas, góndolas , ampollas, plumas o estabilizadores verticales .

A veces se hace referencia a diseños de aeronaves similares, que técnicamente no son alas voladoras, como tales. Estos tipos incluyen aeronaves con fuselaje de ala combinada y aeronaves con fuselaje sustentador , que tienen un fuselaje y no tienen alas definidas.

En teoría, un ala volante pura es la configuración de diseño con menor resistencia aerodinámica para una aeronave de ala fija. Sin embargo, debido a que carece de superficies estabilizadoras convencionales y de las superficies de control asociadas, en su forma más pura, el ala volante sufre de inestabilidad y de dificultad para controlarla.

La configuración básica del ala volante se convirtió en un objeto de estudio significativo durante la década de 1920, a menudo en conjunción con otros diseños sin cola. En la Segunda Guerra Mundial , tanto la Alemania nazi como los Aliados hicieron avances en el desarrollo de alas volantes. El interés militar en el ala volante disminuyó durante la década de 1950 con el desarrollo de aviones supersónicos, pero se renovó en la década de 1980 debido a su potencial para la tecnología furtiva . Este enfoque finalmente llevó al bombardero furtivo Northrop Grumman B-2 Spirit . Ha habido un interés continuo en usarlo en las grandes funciones de transporte de carga o pasajeros. Boeing , McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth han realizado estudios de diseño sobre aviones de pasajeros de ala volante ; sin embargo, todavía no se ha construido ningún avión de pasajeros de este tipo.

El concepto de ala volante se adapta principalmente a los aviones subsónicos . Hasta ahora no se ha construido ningún ala volante supersónica.

Un ala volante es un avión que no tiene fuselaje ni plano de cola definidos , con su tripulación, carga útil, combustible y equipo alojados dentro de la estructura principal del ala. Un ala volante puede tener varias protuberancias pequeñas como cápsulas, góndolas , ampollas, plumas o estabilizadores verticales . ^[1]

En teoría, un ala volante limpia se presenta como la configuración de diseño más eficiente aerodinámicamente (menor resistencia) para un avión de ala fija. También ofrecería una alta eficiencia estructural para una profundidad de ala dada, lo que se traduce en un peso ligero y una alta eficiencia de combustible . ^[2]

Debido a que carece de superficies estabilizadoras convencionales y de las superficies de control asociadas, el ala volante en su forma más pura sufre las desventajas inherentes de ser inestable y difícil de controlar. Estos compromisos son difíciles de conciliar y los esfuerzos por lograrlo pueden reducir o incluso anular las ventajas esperadas del diseño del ala volante, como las reducciones de peso y de resistencia . Además, las soluciones pueden producir un diseño final que aún sea demasiado inseguro para ciertos usos, como la aviación comercial.

Otras dificultades surgen del problema de acomodar al piloto, los motores, el equipo de vuelo y la carga útil, todo dentro de la profundidad de la sección del ala. Otros problemas conocidos con el diseño de las alas volantes están relacionados con el cabeceo y la guiñada . Los problemas de cabeceo se analizan en el artículo sobre aviones sin cola . Los problemas de guiñada se analizan a continuación.

Un ala lo suficientemente profunda como para albergar al piloto, los motores, el combustible, el tren de aterrizaje y otros equipos necesarios tendrá una mayor superficie frontal que un ala convencional y un fuselaje largo y delgado. Esto puede dar lugar a una mayor resistencia aerodinámica y, por lo tanto, a una menor eficiencia que un diseño convencional. Normalmente, la solución adoptada en este caso es mantener el ala razonablemente delgada y, a continuación, se equipa el avión con una variedad de blísters, cápsulas, góndolas, aletas, etc. para satisfacer todas las necesidades de un avión práctico.

El problema se agudiza a velocidades supersónicas, donde la resistencia aerodinámica de un ala gruesa aumenta considerablemente y es esencial que el ala sea fina. Nunca se ha construido un ala voladora supersónica.

Para que cualquier aeronave pueda vuele sin corrección constante debe tener estabilidad direccional en guiñada.

Las alas voladoras carecen de un lugar donde colocar un estabilizador vertical o una aleta eficientes. Cualquier aleta debe fijarse directamente a la parte trasera del ala, lo que genera un pequeño brazo de momento desde el centro aerodinámico, lo que a su vez significa que la aleta es ineficiente y que, para ser efectiva, el área de la aleta debe ser grande. Una aleta tan grande tiene penalizaciones de peso y resistencia, y puede anular las ventajas del ala voladora. El problema se puede minimizar aumentando la flecha del ala y colocando aletas gemelas en el exterior, cerca de las puntas, como por ejemplo en un ala delta de baja relación de aspecto , pero dada la correspondiente reducción en la eficiencia, muchas alas voladoras tienen una flecha más suave y, en consecuencia, tienen, en el mejor de los casos, una estabilidad marginal.

La relación de aspecto de un ala en flecha vista en la dirección del flujo de aire depende del ángulo de guiñada en relación con el flujo de aire. La guiñada aumenta la relación de aspecto del ala delantera y reduce la del ala trasera. Con suficiente flecha hacia atrás, la resistencia diferencial inducida resultante de los vórtices de las puntas y el flujo transversal es suficiente para realinear naturalmente la aeronave.

Un enfoque complementario utiliza el giro o lavado, reduciendo el ángulo de ataque hacia las puntas de las alas, junto con una planta de alas en flecha. El Dunne D.5 incorporó este principio y su diseñador JW Dunne lo publicó en 1913. ^[3] El lavado reduce la sustentación en las puntas para crear una curva de distribución en forma de campana a lo largo de la envergadura, descrita por Ludwig Prandtl en 1933, y esto se puede utilizar para optimizar el peso y la resistencia para una cantidad dada de sustentación.

Otra solución es inclinar o girar hacia abajo las secciones de la punta del ala con un anhedral significativo , aumentando el área en la parte trasera del avión cuando se ve desde un lado. Cuando se combina con el retroceso y el deslave, puede resolver otro problema. Con una distribución de sustentación elíptica convencional, el elevón descendente provoca un aumento de la resistencia inducida que hace que el avión se desvíe del viraje ("desviación adversa"). La deslave inclina el vector aerodinámico neto (sustentación más resistencia) hacia adelante a medida que se reduce el ángulo de ataque y, en casos extremos, esto puede crear un empuje neto hacia adelante. La restauración de la sustentación externa por el elevón crea un ligero empuje inducido para la sección trasera (externa) del ala durante el viraje. Este vector esencialmente empuja el ala de salida hacia adelante para causar una "desviación inversa", creando un viraje coordinado naturalmente. En su conferencia de 1913 a la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, Dunne describió el efecto como "ganancia tangencial". ^[3] La existencia de la desviación inversa no se demostró hasta que la NASA voló su demostrador sin cola Prandtl-D . ^[4]

En algunos diseños de alas voladoras, las aletas estabilizadoras y los timones de control asociados estarían demasiado adelantados para tener mucho efecto, por lo que a veces se proporcionan medios alternativos para el control de guiñada .

Una solución al problema de control es la resistencia diferencial: la resistencia cerca de la punta de un ala se aumenta artificialmente, lo que hace que el avión se desvíe en la dirección de esa ala. Los métodos típicos incluyen:

• Alerones divididos . La superficie superior se mueve hacia arriba mientras que la superficie inferior se mueve hacia abajo. Dividir el alerón en un lado induce la guiñada al crear un efecto de freno de aire diferencial.
• Alerones . Se levanta una superficie de alerón en la parte superior del ala para interrumpir el flujo de aire y aumentar la resistencia. Este efecto suele ir acompañado de una pérdida de sustentación, que debe ser compensada por el piloto o por características de diseño que la compensen automáticamente.
• Spoilerones . Alerón de la superficie superior que también actúa para reducir la sustentación (equivalente a desviar un alerón hacia arriba), lo que hace que el avión se incline en la dirección del viraje; el ángulo de alabeo hace que la sustentación del ala actúe en la dirección del viraje, lo que reduce la cantidad de resistencia necesaria para girar el eje longitudinal del avión.

Una consecuencia del método de resistencia diferencial es que si el avión maniobra con frecuencia, también creará resistencia con frecuencia. Por eso, las alas voladoras funcionan mejor cuando vuelan en aire en calma: en aire turbulento o al cambiar de rumbo, el avión puede ser menos eficiente que un diseño convencional.

Algunas aeronaves relacionadas que no son estrictamente alas voladoras han sido descritas como tales.

Algunos tipos, como el Northrop Flying Wing (NX-216H) , todavía tienen un estabilizador de cola montado sobre los brazos de cola, aunque carecen de fuselaje.

Muchos aladeltas y aviones ultraligeros no tienen cola. Aunque a veces se los denomina alas voladoras, estos tipos llevan al piloto (y al motor, si lo hay) debajo de la estructura del ala en lugar de dentro de ella, por lo que no son verdaderas alas voladoras.

Una aeronave con una planta en delta muy pronunciada y una sección central profunda representa un caso límite entre configuraciones de ala volante, cuerpo de ala combinada y/o cuerpo sustentador .

Los aviones sin cola han sido objeto de experimentación desde los primeros intentos de volar. El británico J. W. Dunne fue uno de los pioneros, sus diseños de biplanos y monoplanos de ala en flecha mostraban una estabilidad inherente ya en 1910. Su trabajo influyó directamente en varios otros diseñadores, incluido G. T. R. Hill , que desarrolló una serie de diseños experimentales de aviones sin cola , conocidos colectivamente como los Westland-Hill Pterodactyls , durante la década de 1920 y principios de la de 1930. ^[5] A pesar de los intentos de obtener pedidos del Ministerio de Aviación , el programa Pterodactyl fue finalmente cancelado a mediados de la década de 1930 antes de que se emitiera cualquier pedido para el Mk. VI. ^[6]

En 1910, el alemán Hugo Junkers patentó su propio concepto de avión de transporte aéreo con alas únicamente, viéndolo como una solución natural al problema de construir un avión de pasajeros lo suficientemente grande como para transportar una carga razonable de pasajeros y suficiente combustible para cruzar el Atlántico en servicio regular. Creía que el volumen interno potencialmente grande del ala volante y su baja resistencia aerodinámica lo convertían en un diseño obvio para esta función. Su ala monoplano de cuerda profunda se incorporó al Junkers J 1, por lo demás convencional , en diciembre de 1915. En 1919 comenzó a trabajar en su diseño "Gigante" JG1, destinado a acomodar pasajeros dentro de un ala gruesa, pero dos años más tarde la Comisión de Control Aeronáutico Aliado ordenó la destrucción del JG1 incompleto por exceder los límites de tamaño de posguerra para los aviones alemanes. Junkers concibió alas volantes futuristas para hasta 1.000 pasajeros; Lo más cerca que estuvo de hacerse realidad fue en 1931, con el avión de pasajeros Junkers G.38 Grossflugzeug de 34 plazas , que contaba con un ala grande de cuerda gruesa que proporcionaba espacio para combustible, motores y dos cabinas de pasajeros. Sin embargo, todavía requería un fuselaje corto para albergar a la tripulación y a los pasajeros adicionales.

El soviético Boris Ivanovich Cheranovsky comenzó a probar planeadores de alas volantes sin cola en 1924. Después de la década de 1920, los diseñadores soviéticos como Cheranovsky trabajaron de forma independiente y en secreto bajo Stalin . ^[7] Con un avance significativo en materiales y métodos de construcción, se hicieron posibles aviones como el BICh-3 , ^[8] BICh-14 y BICh-7A . Hombres como Chizhevskij y Antonov también llamaron la atención del Partido Comunista al diseñar aviones como el BOK-5 sin cola ^[9] (Chizhevskij) y el OKA-33 ^[10] (el primero construido por Antonov) que fueron designados como "planeadores motorizados" debido a su similitud con los planeadores populares de la época. El BICh-11, desarrollado por Cheranovsky en 1932, ^[11] compitió con los hermanos Horten H1 y Adolf Galland en la Novena Competición de Planeadores en 1933, pero no fue demostrado en los Juegos Olímpicos de Verano de 1936 en Berlín.

En Alemania , Alexander Lippisch trabajó primero en tipos sin cola antes de pasar progresivamente a las alas voladoras, mientras que los hermanos Horten desarrollaron una serie de planeadores de alas voladoras durante la década de 1930. El planeador H1 voló con éxito parcial en 1933, y el posterior H2 voló con éxito tanto en variantes de planeador como de motor. ^[12]

En Estados Unidos , a partir de la década de 1930, Jack Northrop trabajó de forma independiente en sus propios diseños. El Northrop N-1M , un prototipo a escala de un bombardero de largo alcance, voló por primera vez en 1940. En 1941, Northrop recibió un contrato de desarrollo para construir dos ejemplares del ala volante YB-35, un ala volante de 4 motores de gran tamaño con una envergadura de 172 pies. El desarrollo y la construcción de este avión continuaron durante toda la Segunda Guerra Mundial. ^{[13] [14]}

Otros ejemplos de verdaderas alas voladoras de la década de 1930 incluyen el planeador AV3 del francés Charles Fauvel de 1933 y el planeador estadounidense Freel Flying Wing volado en 1937. ^[15] presentaba un perfil aerodinámico autoestabilizador en un ala recta. ^{[ cita requerida ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial , los problemas aerodinámicos se entendieron lo suficiente como para comenzar a trabajar en una gama de prototipos representativos de la producción en serie. En la Alemania nazi , los hermanos Horten fueron fervientes defensores de la configuración de ala volante y desarrollaron sus propios diseños en torno a ella, utilizando de manera única para la época la "distribución de sustentación en forma de campana" de Prandtl, similar a un pájaro. ^[16] Uno de esos aviones que produjeron fue el planeador Horten H.IV , que se produjo en pequeñas cantidades entre 1941 y 1943. ^[17] Varios otros diseños militares alemanes de finales de la guerra se basaron en el concepto de ala volante, o variaciones de este, como una solución propuesta para ampliar el alcance de los aviones de muy corto alcance propulsados ​​por los primeros motores a reacción .

El prototipo de caza a reacción Horten Ho 229 voló por primera vez en 1944. ^[18] Combinaba un diseño de ala volante, o Nurflügel , con un par de motores a reacción Junkers Jumo 004 en su segundo prototipo, o "V2" (V de Versuch ); como tal, fue el primer ala volante pura del mundo en ser propulsada por dos motores a reacción , y se informó que voló por primera vez en marzo de 1944. El V2 fue pilotado por Erwin Ziller, quien murió cuando un apagón en uno de sus motores provocó un accidente. Se hicieron planes para producir el tipo como Gotha Go 229 durante las etapas finales del conflicto. A pesar de las intenciones de desarrollar el Go 229 y un Go P.60 mejorado para varios roles, incluido el de caza nocturno , nunca se completó ningún Go 229 o P.60 construido por Gotha. El "V3" o tercer prototipo superviviente no volado, casi completo, fue capturado por las fuerzas estadounidenses y enviado de regreso para su estudio; Terminó almacenado en el Instituto Smithsonian . ^{[19] [20]}

Los aliados también hicieron varios avances relevantes en este campo utilizando una distribución de sustentación elíptica convencional con superficies de cola verticales. Durante diciembre de 1942, Northrop voló el N-9M , un avión de desarrollo a escala de un tercio para un bombardero de largo alcance propuesto; ^[21] se produjeron varios, todos menos uno fueron desechados después de la terminación del programa de bombarderos. ^[22] En Gran Bretaña, el planeador Baynes Bat voló durante la guerra; era un avión experimental a escala de un tercio destinado a probar la configuración para la posible conversión de tanques en planeadores temporales . ^[23]

El AW52 G británico de 1944 fue un planeador de pruebas para un avión comercial de ala volante de gran tamaño capaz de cubrir rutas transatlánticas . ^{[24] [25]} El AW52G fue seguido más tarde por el AW52 de Armstrong Whitworth , un modelo a reacción totalmente metálico capaz de alcanzar altas velocidades para la época; se prestó gran atención al flujo laminar . ^{[25] [26]} El AW52, que voló por primera vez el 13 de noviembre de 1947, arrojó resultados decepcionantes; el primer prototipo se estrelló sin pérdida de vidas el 30 de mayo de 1949, siendo la ocasión el primer uso de emergencia de un asiento eyectable por parte de un piloto británico. El segundo AW52 permaneció volando con el Royal Aircraft Establishment hasta 1954. ^[25]

Durante la posguerra se siguieron realizando proyectos para examinar el ala volante . El trabajo en el bombardero de largo alcance YB-35 , iniciado en 1941, había continuado durante toda la guerra con aparatos de preproducción que volaron en 1946. Esto fue reemplazado al año siguiente por la conversión del modelo a propulsión a chorro como el YB-49 de 1947. ^[27]

Inicialmente, el diseño no ofrecía una gran ventaja en alcance en comparación con los diseños de bombarderos de pistón más lentos, principalmente debido al alto consumo de combustible de los primeros turborreactores, sin embargo, abrió nuevos caminos en velocidad para un avión grande.

El 9 de febrero de 1949, voló desde la base aérea Edwards en California hasta la base aérea Andrews, cerca de Washington, DC, para la demostración de poder aéreo del presidente Harry Truman. El vuelo se realizó en cuatro horas y 20 minutos, estableciendo un récord de velocidad transcontinental. ^[28] El YB-49 presentó algunos problemas menores de estabilidad lateral que se estaban rectificando mediante un nuevo sistema de piloto automático, cuando la versión de bombardero fue cancelada a favor del B-36, mucho más grande pero más lento. Una versión de reconocimiento continuó en desarrollo durante algún tiempo, pero el avión no entró en producción.

En la Unión Soviética, el BICh-26 se convirtió en uno de los primeros intentos de producir un avión de ala volante a reacción supersónico en 1948; ^[29] el autor de aviación Bill Gunston se refirió al BICh-26 como adelantado a su tiempo. ^[30] Sin embargo, el avión no fue aceptado por el ejército soviético y el diseño murió con Cheranovsky.

Varias otras naciones también optaron por llevar a cabo proyectos de alas volantes. Turquía fue uno de esos países, la Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi produjo el planeador sin cola THK-13 durante 1948. ^{[31] [32]} Varios fabricantes británicos también exploraron el concepto en esta época. Las primeras propuestas para el Avro Vulcan , un bombardero estratégico con armas nucleares diseñado por Roy Chadwick , también exploraron varias configuraciones de alas volantes, aunque el diseño final tenía un fuselaje. ^[33]

El ala volante ha suscitado un interés constante en el uso de grandes aviones de transporte de carga o pasajeros. Boeing , McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth han llevado a cabo estudios de diseño de aviones de pasajeros con alas volantes ; sin embargo, todavía no se ha construido ningún avión de este tipo. ^[25]

Tras la llegada de los aviones supersónicos durante la década de 1950, el interés militar en el ala volante se redujo rápidamente, ya que el concepto de adoptar un ala gruesa que acomodara a la tripulación y al equipo entraba en conflicto directo con el ala delgada óptima para el vuelo supersónico.

El interés por las alas volantes se renovó en la década de 1980 debido a sus secciones transversales de reflexión de radar potencialmente bajas. La tecnología furtiva se basa en formas que reflejan las ondas de radar solo en ciertas direcciones, lo que hace que la aeronave sea difícil de detectar a menos que el receptor de radar esté en una posición específica con respecto a la aeronave, una posición que cambia continuamente a medida que la aeronave se mueve. ^[34] Este enfoque finalmente llevó al Northrop Grumman B-2 Spirit , un bombardero furtivo de ala volante . ^{[35] [36]} En este caso, las ventajas aerodinámicas del ala volante no son las razones principales para la adopción del diseño. Sin embargo, los modernos sistemas fly-by-wire controlados por computadora permiten minimizar muchos de los inconvenientes aerodinámicos del ala volante, lo que lo convierte en un bombardero de largo alcance eficiente y efectivamente estable. ^{[37] [38]}

Debido a la necesidad práctica de un ala profunda, el concepto de ala volante se adopta principalmente para aeronaves subsónicas . Ha habido un interés continuo en su uso en el papel de transporte de gran tamaño donde el ala es lo suficientemente profunda como para albergar carga o pasajeros. Varias empresas, incluidas Boeing , McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth , han realizado estudios de diseño sobre aviones de pasajeros de ala volante hasta la fecha; sin embargo, ^[25] aún no se ha construido ningún avión de pasajeros de este tipo a fecha de 2023. ^{[ cita requerida ]}

El ala volante bidireccional es un concepto de geometría variable que comprende un ala subsónica de gran envergadura y un ala supersónica de corta envergadura, unidas en forma de cruz desigual. Propuesta en 2011, el ala de baja velocidad tendría un perfil aerodinámico grueso y redondeado capaz de contener la carga útil y una gran envergadura para una alta eficiencia, mientras que el ala de alta velocidad tendría un perfil aerodinámico delgado y de bordes afilados y una envergadura más corta para una baja resistencia a la velocidad supersónica. La nave despegaría y aterrizaría con el ala de baja velocidad atravesada en el flujo de aire, luego rotaría un cuarto de vuelta para que el ala de alta velocidad esté de cara al flujo de aire para un viaje supersónico. ^[39] La NASA ha financiado un estudio de la propuesta. ^[40] Se afirma que el diseño ofrece una baja resistencia de onda, una alta eficiencia subsónica y un estampido sónico reducido.

Desde el final de la Guerra Fría , se han producido numerosos vehículos aéreos no tripulados (UAV) con alas volantes. Las naciones han utilizado típicamente estas plataformas para reconocimiento aéreo ; estos UAV incluyen el Lockheed Martin RQ-170 Sentinel ^{[41] [42]} y el Northrop Grumman Tern . ^{[43] [44]} Las empresas civiles también han experimentado con UAV, como el Facebook Aquila , como satélites atmosféricos . ^{[45] [46]} Se han producido varios prototipos de vehículos aéreos de combate no tripulados (UCAV), incluido el Dassault nEUROn , ^[47] el Sukhoi S-70 Okhotnik-B , ^[48] el DRDO Ghatak , el DRDO SWIFT y el BAE Systems Taranis . ^[49]

• Lista de alas voladoras
• Ala circular
• Ala oblicua
• Vicente Burnelli
• Zanonia macrocarpa

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• Pelletier, Alain J. "¿Hacia el avión ideal? La vida y la época del ala volante. Primera parte: desde los inicios hasta 1945". Air Enthusiast (64, julio-agosto de 1994): 2-17. ISSN  0143-5450..
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• Historia del Ala Voladora en Century of Flight.
• La página de Nurflügel
• Vuelo al futuro de Joe Mizrahi, Wings , abril de 1999, vol. 29, n.º 2
• Glen Edwards y el ala voladora
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