La regla de área Whitcomb , también llamada la regla de área transónico , es una técnica de diseño utilizado para reducir una aeronave 's de arrastre en transónico y supersónicos velocidades, en particular entre Mach 0,75 y 1,2.
Este es uno de los rangos de velocidad de operación más importantes para aviones comerciales y militares de ala fija en la actualidad, y la aceleración transónica se considera una métrica de rendimiento importante para aviones de combate y necesariamente depende de la resistencia transónica.
Descripción
A altas velocidades de vuelo subsónicas, la velocidad local del flujo de aire puede alcanzar la velocidad del sonido donde el flujo se acelera alrededor del cuerpo y las alas de la aeronave . La velocidad a la que se produce este desarrollo varía de un avión a otro y se conoce como el número de Mach crítico . Las ondas de choque resultantes que se forman en estos puntos del flujo sónico pueden dar como resultado un aumento repentino de la resistencia , llamada resistencia de la onda . Para reducir el número y la potencia de estas ondas de choque, la forma aerodinámica debe cambiar en el área de la sección transversal lo más suavemente posible.
La regla del área dice que dos aviones con la misma distribución de área de sección transversal longitudinal 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, esta distribución del área total debe ser uniforme. Como resultado, las aeronaves deben disponerse cuidadosamente de modo que en la ubicación del ala, el fuselaje se estreche o "entalle", de modo que el área total no cambie mucho. Se usa una cintura del fuselaje similar pero menos pronunciada en la ubicación de un dosel de burbujas y quizás en las superficies de la cola.
La regla del área también es válida a velocidades que exceden la velocidad del sonido , pero en este caso, la disposición del cuerpo es con respecto a la línea Mach para la velocidad de diseño. Por ejemplo, considere que a Mach 1.3 el ángulo del cono de Mach formado fuera del cuerpo de la aeronave será aproximadamente μ = arcsin (1 / M) = 50.3 ° (donde μ es el ángulo del cono de Mach, o simplemente Mach ángulo y M es el número de Mach ). En este caso, la "forma perfecta" está sesgada hacia atrás; por lo tanto, los aviones diseñados para crucero de alta velocidad suelen tener alas hacia atrás. [1]
Cuerpo de Sears – Haack
Un concepto relacionado superficialmente es el cuerpo de Sears-Haack , cuya forma permite un arrastre de onda mínimo para una longitud y un volumen determinados. Sin embargo, la forma del cuerpo de Sears-Haack se deriva a partir de la ecuación de Prandtl-Glauert que gobierna los flujos supersónicos de pequeñas perturbaciones. Pero esta ecuación no es válida para flujos transónicos donde se aplica la regla del área. Entonces, aunque la forma del cuerpo de Sears-Haack, al ser suave, tendrá propiedades favorables de resistencia a las olas de acuerdo con la regla del área, no es teóricamente óptima. [2]
Historia
Alemania
La regla del área fue descubierta por Otto Frenzl al comparar un ala en flecha con un ala en W con resistencia de ola extremadamente alta [3] mientras trabajaba en un túnel de viento transónico en las fábricas de Junkers en Alemania entre 1943 y 1945. Escribió una descripción el 17 de diciembre. 1943, con el título Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug ("Disposición de los cuerpos de desplazamiento en vuelo a alta velocidad"); esto fue utilizado en una patente presentada en 1944. [4] 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 "Formas fundamentalmente nuevas para aumentar el rendimiento de los aviones de alta velocidad ". [5]
El diseño posterior de la aeronave alemana en tiempos de guerra tuvo en cuenta el descubrimiento, evidente en el delgado fuselaje medio de las aeronaves que incluyen el Messerschmitt P.1112 , P.1106 y el bombardero de largo alcance Focke-Wulf 1000x1000x1000 tipo A, pero también evidente en los diseños de alas delta, incluido el bombardero de largo alcance. 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 la "Botella de Coca-Cola Küchemann" cuando fue descubierto por las fuerzas estadounidenses en 1946. En este caso, Küchemann llegó a la teoría al estudiar el flujo de aire, notablemente flujo a lo ancho, sobre un ala barrida . El ala barrida es en sí misma una aplicación indirecta de la regla del área.
Estados Unidos
Wallace D. Hayes , un pionero del vuelo supersónico , desarrolló la regla del área transónica en publicaciones a partir de 1947 con su Ph.D. tesis en el Instituto de Tecnología de California . [6]
Richard T. Whitcomb , que da nombre a la regla, descubrió de forma independiente esta regla en 1952, mientras trabajaba en la NACA . Mientras usaba el nuevo túnel de alta velocidad de ocho pies, un túnel de viento con un rendimiento de hasta Mach 0.95 en el Centro de Investigación Langley de NACA , se sorprendió por el aumento de la resistencia debido a la formación de ondas de choque. Whitcomb se dio cuenta de que, con fines analíticos, un avión podía reducirse a un cuerpo de revolución aerodinámico, alargado tanto como fuera posible para mitigar las discontinuidades abruptas y, por lo tanto, un aumento de resistencia igualmente abrupto. [7] Los choques se podían ver usando la fotografía de Schlieren , pero la razón por la que se creaban a velocidades muy por debajo de 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 aerodinámico alemán que se había mudado a Langley después de la Segunda Guerra Mundial . Habló sobre el comportamiento del flujo de aire alrededor de un avión a medida que su velocidad se acercaba al número crítico de Mach, cuando el aire ya no se comportaba como un fluido incompresible. Mientras que los ingenieros estaban acostumbrados a pensar que el aire fluía suavemente alrededor del cuerpo de la aeronave, a altas velocidades simplemente no tenía tiempo para "salirse del camino" y, en cambio, comenzó a fluir como si fueran tubos rígidos de flujo, un concepto al que Busemann se refirió como "streampipes", en contraposición a los streamlines , y sugirió en broma que los ingenieros debían considerarse a sí mismos "pipefitters".
Varios días después, Whitcomb tuvo un momento " Eureka ". La razón de la alta resistencia fue que las "tuberías" de aire estaban interfiriendo entre sí en tres dimensiones. Uno no considera simplemente el aire que fluye sobre una sección transversal 2D de la aeronave como otros podían hacerlo en el pasado; ahora también tenían que considerar el aire a los "lados" de la aeronave que también interactuaría con estas rayas. Whitcomb se dio cuenta de que la configuración tenía que aplicarse a la aeronave en su conjunto , y no solo al fuselaje. Eso significaba que el área de sección transversal adicional de las alas y la cola tenía que tenerse en cuenta en la configuración general, y que el fuselaje debería estrecharse donde se unen para coincidir más estrechamente con el ideal.
Aplicaciones
La regla del área se aplicó inmediatamente a una serie de iniciativas de desarrollo. Uno de los más famosos de estos desarrollos fue el trabajo personal de Whitcomb en el rediseño del Convair F-102 Delta Dagger , un caza a reacción de la Fuerza Aérea de EE. UU. Que estaba demostrando un rendimiento considerablemente peor de lo esperado. [8] Al sangrar el fuselaje al lado de las alas y (paradójicamente) agregar más volumen a la parte trasera del avión, la resistencia transónica se redujo considerablemente y se alcanzó la velocidad prevista de diseño Mach 1.2. El diseño culminante de esta investigación fue el Convair F-106 Delta Dart , un avión que durante muchos años fue el principal interceptor para todo clima de la USAF. A pesar de tener el mismo motor J57 que el F-102, el F-106 era casi el doble de rápido. [9]
Numerosos diseños de la época también se modificaron de esta manera, ya sea agregando nuevos tanques de combustible o extensiones de cola para suavizar el perfil. El Tupolev Tu-95 'Bear' , un bombardero soviético -era , tiene grandes góndolas de tren de aterrizaje abultadas detrás de los dos motores internos, lo que aumenta la sección transversal general del avión detrás de la raíz del ala. Su versión de avión de pasajeros ha sido el avión propulsado por hélice más rápido del mundo desde 1960. El Convair 990 utilizó una solución similar, agregando protuberancias llamadas cuerpos antishock al borde de fuga del ala superior. El 990 sigue siendo el avión estadounidense más rápido de la historia, con una velocidad de crucero de hasta Mach 0,89. Los diseñadores de Armstrong-Whitworth llevaron el concepto un paso más allá en su propuesta M-Wing, en la que el ala se barrió primero hacia adelante y luego hacia atrás. Esto permitió que el fuselaje se estrechara a ambos lados de la raíz en lugar de justo detrás de él, lo que condujo a un fuselaje más suave que permaneció más ancho en promedio que uno que usa un ala en flecha clásica.
Un resultado interesante de la regla del área es la configuración del piso superior del Boeing 747 . [10] Antes de su rediseño como avión de pasajeros, el avión fue originalmente diseñado como un avión de carga militar, para transportar contenedores intermodales estándar en una pila de dos de ancho y dos de altura en la cubierta principal. Esto se consideró un riesgo de accidente grave para los pilotos si estaban ubicados en una cabina en la parte delantera de la aeronave. Por tanto, la cabina se trasladó por encima de la cubierta, en una "joroba" que, siguiendo los principios de racionalización convencionales, se mantuvo lo más pequeña posible. Más tarde se descubrió que el arrastre podría reducirse mucho más alargando la joroba, usándola para reducir el arrastre de las olas compensando la contribución de la superficie de la cola. El nuevo diseño se introdujo en el 747-300, mejorando su velocidad de crucero y reduciendo la resistencia, con el efecto secundario de aumentar ligeramente la capacidad en los vuelos de pasajeros.
Los aviones diseñados de acuerdo con la regla de área de Whitcomb (como el Blackburn Buccaneer y el Northrop F-5 ) parecían extraños en el momento en que se probaron por primera vez y se denominaron " botellas de Coca-Cola voladoras ", pero la regla de área es efectiva y se convirtió en un esperado parte de la apariencia de cualquier avión transónico. Los diseños posteriores comenzaron con la regla del área en mente y se volvieron mucho más agradables. Aunque la regla todavía se aplica, la "cintura" visible del fuselaje solo se puede ver en unos pocos aviones, como el B-1B Lancer , el Learjet 60 y el Tupolev Tu-160 'Blackjack' . El mismo efecto se logra ahora mediante el posicionamiento cuidadoso de los componentes de la aeronave, como los propulsores y la bahía de carga de los cohetes; los motores a reacción delante (y no directamente debajo) de las alas del Airbus A380 ; los motores a reacción detrás (y no simplemente al costado) del fuselaje de un Cessna Citation X ; la forma y ubicación del dosel del F-22 Raptor ; y la imagen del Airbus A380 de arriba que muestra una forma obvia de la regla de área en la raíz del ala, que es prácticamente invisible desde cualquier otro ángulo.
Imagenes
El F-106 Delta Dart , un desarrollo del F-102 Delta Dagger , muestra la forma de "cintura de avispa" debido a consideraciones de reglas de área.
NASA Convair 990 con cuerpos antichoque en la parte trasera de las alas
Visualización del flujo de aceite de la separación del flujo sin y con cuerpos antichoque
Dos grandes góndolas abombadas (para el tren de aterrizaje principal ) se pueden ver detrás de los motores de este Tupolev Tu-95
Ver también
- Cuerpo antichoque
- estampido supersónico
- Barrera del sonido
- Aerodinámica supersónica
Notas
- ^ Jones, Robert T (1956), Regla de área supersónica (PDF) (informe), Reino Unido : NACA, 1284.
- ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19670030792.pdf nasa.gov. Consultado el 6 de abril de 2015.
- ^ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [ Barrido de ala y regla de área, dos patentes alemanas básicas de aerodinámica de aviones ] (PDF) (en alemán), München, DE : Deutsches Museum.
- ^ Patentschrift zur Flächenregel [ Patente para la regla de área ] (PDF) (en alemán), 21 de marzo de 1944.
- ^ Meier, Hans-Ulrich (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ El desarrollo del ala en flecha en Alemania hasta 1945 ] (en alemán), págs. 166–99, ISBN 3-7637-6130-6.
- ^ Wallace Hayes (obituario), Princeton.
- ^ Hallion, Richard P. "La NACA, la NASA y la frontera supersónico-hipersónica" (PDF) . NASA . Servidor de informes técnicos de la NASA . Consultado el 8 de septiembre de 2011 .
- ^ Wallace 1998 , p. 144.
- ^ La era del vuelo de alta velocidad https://history.nasa.gov/SP-440/ch5-10.htm
- ^ Wallace 1998 , p. 147.
Bibliografía
- Wallace, Carril E (1998). "5". En Mack, Pamela E (ed.). La regla del área de Whitcomb: Investigación e innovación aerodinámica de NACA . De la ciencia de la ingeniería a la gran ciencia . NASA. págs. 144–47 . Consultado el 29 de agosto de 2012 .
enlaces externos
- Regla de área explicada , Web aeroespacial.
- Regla de área de Whitcomb y zanahorias de Küchemann , Web aeroespacial.
- Documento DGLR
- Sistema de búsqueda de patentes alemán : busque la patente DE 932410 presentada el 21 de marzo de 1944.
- 2004: El uso excesivo aumenta la fricción, pero todavía reduce auge de oído en el suelo de la NASA
- Consulte la Imagen 4 para ver un ejemplo extremo: fuselaje antes del ala , PBS.
- La regla del área de Whitcomb: Investigación e innovación aerodinámica de NACA , Historia Nasa.
- "Un estudio de las características de elevación de arrastre de elevación cero de combinaciones de cuerpo de ala cerca de la velocidad del sonido". hdl : 2060/19930092271 . Cite journal requiere
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( ayuda ) (1,31 MB) , Whitcomb, Richard T, Informe NACA 1273, 1956. - Informes y explicación contemporáneos de la regla de área , archivos globales de vuelo