Perfil aerodinámico supercrítico

Un perfil aerodinámico supercrítico ( supercritical airfoil en inglés americano) es un perfil aerodinámico diseñado principalmente para retrasar la aparición de la resistencia de las olas en el rango de velocidad transónica .

Los perfiles aerodinámicos supercríticos se caracterizan por su superficie superior aplanada, una sección trasera muy curvada ("curvada hacia abajo") y un radio de borde de ataque más grande en comparación con las formas de perfil aerodinámico laminar de la serie NACA 6. ^[1] Las formas de ala estándar están diseñadas para crear una menor presión sobre la parte superior del ala. Tanto la distribución del espesor como la curvatura del ala determinan cuánto se acelera el aire alrededor del ala. A medida que la velocidad de la aeronave se acerca a la velocidad del sonido , el aire que se acelera alrededor del ala alcanza Mach 1 y comienzan a formarse ondas de choque . La formación de estas ondas de choque causa resistencia de onda. Los perfiles aerodinámicos supercríticos están diseñados para minimizar este efecto al aplanar la superficie superior del ala.

Los orígenes del perfil aerodinámico supercrítico se remontan al aerodinámico alemán K. A. Kawalki, que diseñó varios perfiles aerodinámicos durante la Segunda Guerra Mundial . Tras el final del conflicto, varias naciones continuaron la investigación en este campo, entre ellas Alemania, el Reino Unido y los Estados Unidos . En particular, Hawker Siddeley Aviation diseñó una serie de perfiles aerodinámicos avanzados que se incorporaron, entre otros programas, al Airbus A300 . En Estados Unidos, el aerodinámico Richard Whitcomb produjo perfiles aerodinámicos supercríticos similares al trabajo anterior de Kawalki; estos se utilizaron para diseñar un ala supercrítica que, a su vez, se incorporó a aviones civiles y militares. En consecuencia, las técnicas aprendidas de los estudios de las secciones originales del perfil aerodinámico supercrítico se han utilizado para diseñar perfiles aerodinámicos para varios aviones subsónicos y transónicos de alta velocidad, desde los aviones de pasajeros Airbus A310 y Boeing 777 hasta el jet McDonnell Douglas AV-8B Harrier II .

El perfil aerodinámico supercrítico fue sugerido por primera vez por los aerodinámicos alemanes durante la Segunda Guerra Mundial . Durante 1940, K. A. Kawalki, de la Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt Berlin-Adlershof, diseñó una serie de perfiles aerodinámicos caracterizados por bordes de ataque elípticos, un espesor máximo ubicado aguas abajo hasta el 50 % de la cuerda y una superficie superior plana. B. Göthert y K. A. Kawalki informaron sobre las pruebas de estos perfiles aerodinámicos en 1944. Las formas de perfil aerodinámico de Kawalki eran similares a las producidas posteriormente por el aerodinámico estadounidense Richard Whitcomb . ^[2] Los autores de aviación Ernst Heinrich Hirschel, Horst Prem y Gero Madelung se han referido al perfil aerodinámico supercrítico como de igual importancia, en términos de aerodinámica, que la innovación del ala en flecha para los aviones de alta velocidad. ^[3]

Durante las décadas de 1950 y 1960, varios aviones de investigación de alta velocidad equipados con perfiles aerodinámicos convencionales tuvieron dificultades para superar la barrera del sonido o incluso alcanzar Mach 0,9. El flujo de aire supersónico sobre la superficie superior del perfil aerodinámico tradicional inducía una excesiva resistencia de las olas , así como una forma de pérdida de estabilidad conocida como Mach tuck . Los aerodinamistas determinaron que, al dar forma apropiada al perfil aerodinámico utilizado, la gravedad de estos problemas podría reducirse en gran medida, lo que permitiría a la aeronave alcanzar velocidades mucho más altas; esta es la base del ala supercrítica. Su diseño permite que el ala mantenga altos niveles de rendimiento a velocidades más cercanas a Mach 1 que las contrapartes tradicionales.

En 1962 se presentó el Vickers VC-10, que tenía características supercríticas en las alas. El VC-10 fue el primer avión de pasajeros en tener una sección de ala diseñada específicamente para el avión (en lugar de una forma estándar). El diseño fue trabajado por los institutos de investigación Vickers y del Reino Unido. ^{[4] [5]} Entre 1959 y 1968, el fabricante aeroespacial británico Hawker Siddeley Aviation , con sede en Hatfield, Inglaterra, diseñó sus propios perfiles aerodinámicos mejorados, a los que a veces se denominaba perfiles aerodinámicos de carga trasera en el techo. La investigación de Hawker Siddeley sirvió posteriormente como base para el ala supercrítica del Airbus A300 , un avión de pasajeros multinacional de fuselaje ancho que voló por primera vez en 1972. ^{[6] [7]} Paralelamente, Alemania y los Países Bajos de la posguerra también llevaron a cabo sus propios esfuerzos de investigación en diseños óptimos de perfiles aerodinámicos transónicos, con la intención de que estos esfuerzos respaldaran los programas de aviación civil. ^[8] Hasta la década de 1970, se prestó mucha atención al desarrollo de un perfil aerodinámico que realizara una recompresión isentrópica, un retorno sin impactos del flujo de aire a velocidades subsónicas. ^[9]

En los Estados Unidos, el perfil aerodinámico supercrítico fue un área de investigación durante la década de 1960; una de las figuras estadounidenses más importantes en este campo fue Richard Whitcomb. Un North American T-2C Buckeye especialmente modificado funcionó como un primer banco de pruebas aéreas para el ala supercrítica, realizando numerosos vuelos de evaluación durante este período en apoyo del esfuerzo de investigación. ^[10] Después de las pruebas de vuelo iniciales, los nuevos perfiles aerodinámicos se probaron a velocidades cada vez más altas en otro avión militar modificado, el TF-8A Crusader . ^[11]

Aunque la NASA había trabajado inicialmente en el perfil aerodinámico supercrítico como parte del programa de Transporte Supersónico Nacional de los Estados Unidos , el avión de pasajeros supersónico que se estaba desarrollando para aprovecharlo, el Boeing 2707 , finalmente se canceló debido a una combinación de desafíos técnicos y costos relativamente altos. ^{[12] [13]} A pesar de esto, el trabajo fue un aspecto del programa que sobrevivió a la cancelación de su principal destinatario previsto. La forma del perfil aerodinámico supercrítico se incorporó al diseño del ala supercrítica.

De esta manera, la tecnología se ha aplicado posteriormente con éxito a varias aeronaves de alta subsónica, aumentando notablemente su eficiencia de combustible . ^[14] Los primeros ejemplos incluyen los aviones de pasajeros Boeing 757 y Boeing 767 , ambos desarrollados durante la década de 1970. ^[15] Según Hirschel, Prem y Madelung, el ala supercrítica ha sido considerada como un elemento esencial de los aviones de pasajeros modernos, lo que apunta hacia su uso en la gama de productos de Airbus. ^[9]

Durante 1984, la investigación de Kawalki fue citada como base para una objeción formal contra la especificación de patente estadounidense que se había emitido para el perfil aerodinámico supercrítico. ^[16] En esa época, se informó que el trabajo de Kawalki estaba desempeñando un papel activo en el diseño de nuevos aviones de pasajeros, como el Airbus A310 . ^[9] Además, algunos aviones han sido rediseñados para incorporar alas supercríticas; como el Hawker Siddeley Harrier , conocido popularmente como el avión de salto Harrier , que tenía un modelo AV-8B Harrier II de segunda generación que adoptó una nueva ala supercrítica de una pieza para mejorar el rendimiento de crucero al retrasar el aumento de la resistencia y aumentar la relación sustentación-resistencia. ^[17]

La adopción del perfil aerodinámico supercrítico entre los aviones a reacción modernos ha disminuido el uso de otros métodos para reducir la resistencia de las olas. El cuerpo antichoque fue uno de esos métodos, que también se derivó del trabajo de Richard Whitcomb, así como del del aerodinámico alemán Dietrich Küchemann . ^[18] También conocido como "cuerpos de Whitcomb" o "zanahorias de Küchemann", está estrechamente asociado con la regla del área , una innovación reciente de la época para minimizar la resistencia de las olas al tener un área de sección transversal que cambia suavemente a lo largo de la longitud de la aeronave. ^{[19] [20]}

Los perfiles aerodinámicos supercríticos presentan cuatro ventajas principales: tienen un mayor número de Mach de divergencia de arrastre , ^[21] desarrollan ondas de choque más a popa que los perfiles aerodinámicos tradicionales, ^[22] reducen en gran medida la separación de la capa límite inducida por el choque y su geometría permite un diseño de ala más eficiente (por ejemplo, un ala más gruesa y/o un barrido de ala reducido, cada uno de los cuales puede permitir un ala más ligera). A una velocidad particular para una sección de perfil aerodinámico dada, el número de Mach crítico , el flujo sobre la superficie superior de un perfil aerodinámico puede volverse localmente supersónico, pero se ralentiza para igualar la presión en el borde de salida de la superficie inferior sin un choque. Sin embargo, a una cierta velocidad más alta, el número de Mach de divergencia de arrastre , se requiere un choque para recuperar suficiente presión para igualar las presiones en el borde de salida. Este choque causa resistencia de onda transónica y puede inducir la separación del flujo detrás de él; ambos tienen efectos negativos en el rendimiento del perfil aerodinámico.

En un punto determinado a lo largo del perfil aerodinámico, se genera un choque que aumenta el coeficiente de presión hasta el valor crítico C _p-crit , donde la velocidad de flujo local será Mach 1. La posición de esta onda de choque está determinada por la geometría del perfil aerodinámico; un perfil supercrítico es más eficiente porque la onda de choque se minimiza y se crea lo más atrás posible, lo que reduce la resistencia . En comparación con una sección de perfil aerodinámico típica, el perfil aerodinámico supercrítico crea más sustentación en el extremo de popa, debido a su distribución de presión más uniforme sobre la superficie superior.

Además de un mejor rendimiento transónico, el borde de ataque agrandado de un ala supercrítica le otorga excelentes características de sustentación elevada. En consecuencia, las aeronaves que utilizan un ala supercrítica tienen un rendimiento superior en el despegue y el aterrizaje. Esto hace que el ala supercrítica sea una de las favoritas de los diseñadores de aeronaves de transporte de carga. Un ejemplo notable de una de esas aeronaves de carga pesada que utiliza un ala supercrítica es el Boeing C-17 Globemaster III . ^[23]

El comportamiento de pérdida del perfil supercrítico es diferente al de los perfiles aerodinámicos de baja velocidad. La capa límite a lo largo del borde de ataque de un ala supercrítica comienza delgada y laminar en ángulos de crucero. A medida que aumenta el ángulo de ataque (AOA), esta capa laminar se desprende en una región estrecha y forma una burbuja corta. El flujo de aire, ahora turbulento, se vuelve a unir a la superficie detrás de la burbuja; el aumento de la resistencia no es extremo en esta condición. Sin embargo, si el AOA se incrementa hasta el punto de pérdida, se crea un gradiente de presión adverso y se puede formar una onda de choque dentro de la delgada capa límite delante de la burbuja, incluso a una velocidad relativamente baja. En el ángulo crítico, la burbuja se expande rápidamente ("estalla"), lo que hace que el flujo de aire se desprenda repentinamente de toda la superficie (desde el borde de ataque hasta el borde de salida). La pérdida abrupta de sustentación se ve exacerbada por la falta de la "advertencia" de pérdida tradicional o el zarandeo que proporcionaría un contorno de baja velocidad. ^[24]

Debido a esta falta de advertencia de sacudidas, las aeronaves que utilizan alas supercríticas están equipadas rutinariamente con sistemas de alerta de sacudidas de la palanca de mando y de recuperación de empujones de la palanca de mando , para cumplir con los requisitos de certificación. Dado que las barreras del ala "impiden que toda el ala entre en pérdida a la vez", también pueden constituir un medio alternativo para proporcionar recuperación en este sentido. ^[25]

• Regla del área de Whitcomb
• Perfil aerodinámico NACA
• Vought F-8 Crusader (TF-8A)

• Perfiles aerodinámicos supercríticos en Aerospaceweb
• Perfil aerodinámico supercrítico en la Comisión del Centenario de Vuelo de EE. UU.
• El perfil aerodinámico supercrítico del Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA