¿Cómo pueden volar algunos aviones con alas delgadas y planas y ángulo de ataque cero (por ejemplo, el F22 y el SU-37)?

Esta era la versión del “plano X” (prototipo) del Lockheed F-104 Starfighter , a veces referido como el “misil con un hombre en él”:

El F-104 siempre ha sido uno de mis aviones favoritos, tanto por su aspecto como por el hecho de que encarna parte de la increíble locura de la carrera armamentista de la Guerra Fría que se ve en toda la línea de luchadores de la “Serie Century” (Serie Century de la USAF). Aviones de combate: F-100, F-101, F-102, F-104, F-105 y F-106).

Básicamente, se trataba de una aeronave diseñada para funcionar como apestosa, punto: un poco de avión envuelto alrededor del mejor y más grande motor disponible en ese momento (J79 ​​de GE, que más tarde se usó en otras aeronaves, especialmente el F-4 Phantom II ) . El artículo de Wikipedia sobre el F-104 (Lockheed F-104 Starfighter) es bastante bueno y reúne bastante material de fuentes primarias de varios tipos. Tiene esto que decir sobre las alas del avión:

“El F-104 presentaba un diseño de ala radical. La mayoría de los aviones de combate de la época usaban un ala barrida o un ala delta. Esto permitió un equilibrio razonable entre el rendimiento aerodinámico, la elevación y el espacio interno para combustible y equipo. Las pruebas de Lockheed, sin embargo, determinaron que la forma más eficiente para el vuelo supersónico de alta velocidad era un ala trapezoidal recta, pequeña, montada en el medio ”.

Aquí hay un práctico dibujo a tres bandas que muestra exactamente cuán extrañamente cortas y delgadas eran realmente sus alas:

La gran cola en T tenía mucha autoridad de cabeceo (nariz arriba / abajo), y el ala desarrolló una elevación suficiente que, una vez que avanzaba lo suficientemente rápido, podía volar razonablemente bien … a menos que el piloto intentara montarlo también. mucho. Si salía del vuelo controlado, era casi imposible recuperarse: solo un motor, timón y alerones relativamente pequeños. A principios de la década de 1980, volé al sitio de uno que se estrelló durante un ejercicio canadiense llamado MAPLE FLAG; el piloto había sido expulsado con éxito, y su avión cayó como un trozo de tubería, cayendo del lado derecho hacia arriba entre dos árboles sin prácticamente ningún giro en la evidencia de los restos. Casi parecía que los árboles podrían haber sido cortados y el avión remolcado de regreso a casa para ser reparado y volar otro día. (Casi.)

Aquí hay una foto de la que se exhibió en la Academia de la Fuerza Aérea durante mi tiempo allí:

Teníamos otros tres aviones en las otras tres esquinas dentro de nuestra área de formación y marcha (también conocido como “El Terrazo”): un F-4, y F-105, y un T-38. Los dos primeros fueron considerados memoriales y siempre fueron tratados con respeto; El T-38 estaba precariamente equilibrado en su tren de aterrizaje y era propenso a caerse si se lo molestaba. Entonces, el pobre -104 soportó la peor parte de los movimientos de la “misión espiritual” en medio de la noche, que básicamente implicaba soltarlo, hacer que un montón de personas lo empujaran a algún lugar inesperado y colgar un letrero de “Beat Army” o lo que sea en eso. Esas alas eran muy delgadas y realmente dolían al empujarlas.

O eso me dijeron.

Los aviones como el F-104 necesitaban alta velocidad para despegar y aterrizar debido a la pequeña superficie del ala y al particular escenario de dinámica de fluidos en su diseño de ala que crea elevación. Este diseño se usó para mejorar la relación de elevación a arrastre a grandes altitudes para lograr las velocidades de intercepción muy altas (básicamente era como un dardo con un golpe) que se buscaban durante el combate coreano en respuesta a la amenaza de combate diseñada por Rusia. Los diseñadores de Lockheed en realidad fueron a Corea para hablar con los pilotos para conocer sus opiniones sobre la situación, un buen resumen de por qué surgió: Lockheed F-104 Starfighter

Una explicación concisa sobre la elevación, citada en Cómo funcionan los aviones: “En cuanto a la mecánica real de la elevación, la fuerza se produce cuando un fluido sólido es desviado por un objeto sólido. El ala divide el flujo de aire en dos direcciones: arriba y sobre el ala y hacia abajo a lo largo de la parte inferior del ala. El ala tiene forma e inclinación para que el aire que se mueve sobre él viaje más rápido que el aire que se mueve por debajo. Cuando el aire en movimiento fluye sobre un objeto y encuentra un obstáculo (como un golpe o un aumento repentino en el ángulo del ala), su trayectoria se estrecha y el flujo se acelera a medida que todas las moléculas se apresuran. Una vez pasado el obstáculo, el camino se ensancha y el flujo se ralentiza nuevamente. Si alguna vez ha pellizcado una manguera de agua, ha observado este mismo principio en acción. Al pellizcar la manguera, se estrecha el camino del flujo de fluido, lo que acelera las moléculas. Elimine la presión y el flujo de agua vuelve a su estado anterior. A medida que el aire se acelera, su presión cae. Entonces, el aire que se mueve más rápido sobre el ala ejerce menos presión sobre él que el aire más lento que se mueve debajo del ala. El resultado es un impulso de elevación hacia arriba. En el campo de la dinámica de fluidos, esto se conoce como el principio de Bernoulli “

Entonces, aunque puede parecer plano y horizontal, se le da cierta forma y ángulo para que se pueda crear un elevador durante el vuelo. Además, ¿alguna vez has visto cuánto se mueve un avión grande como las alas de un Jumbo a medida que pasan desde el suelo estacionario hasta el vuelo, este tipo de movimiento crearía todo tipo de problemas cuando vuelas a un par de veces la velocidad? de sonido

En el extremo opuesto de la escala se encuentran algunos aviones militares, como el Caribou DHC-4 de Havilland Canadá (que reemplazó al DC-3 en Australia) que puede generar grandes cantidades de elevación a velocidades relativamente lentas debido a su diseño particular de ala en relación con el cuerpo , lo que lo hace muy útil como un avión de carga militar de despegue y aterrizaje corto (STOL), aunque esta distancia depende del viento de frente y la superficie de la pista disponible en ese momento. Un PDF descriptivo de 1957 sobre las especificaciones y el desarrollo requerido de este avión: https://www.flightglobal.com/Fli … y una descripción más moderna basada en su uso en el RAAF – De Havilland DHC-4 Caribou STOL Cargo RAAF Cuándo vimos que estas cosas despegaban sin carga, parecían comenzar a rodar y casi con inquietud, simplemente despegaban. En comparación con otros aviones militares impulsados ​​por hélices que teníamos en la RAAF en ese momento (Hércules, Orión, Neptuno), la velocidad lenta y la corta distancia (puede despegar en ~ 220 my aterrizar en ~ 200 m) requeridas para el despegue y el aterrizaje fueron muy impresionante.

Perdón por los enlaces, pero tomaría demasiado espacio poner toda la información aquí, pero la historia detrás de por qué surgió el diseño del F-104 es interesante.

Del detalle adicional en su pregunta parece que está confundiendo dos conceptos. Las alas horizontales no tienen nada que ver con el ángulo de ataque (AoA). Cómo se montan las alas en el fuselaje de un avión es el ángulo de incidencia.

Si las alas aparecen horizontales o no mientras la aeronave está en tierra tiene tanto que ver con la configuración del tren de aterrizaje como con cualquier otra cosa. Eche un vistazo a este DHC-4 Caribou donde el ángulo parece ser negativo mientras el avión está estacionado.

Entonces, al ángulo de ataque. AoA es el ángulo entre la línea de cuerda del ala y el vector que representa el movimiento relativo entre el avión y la atmósfera.

El ángulo de incidencia es una característica fija del avión. El ángulo de ataque varía con la velocidad y la fase de vuelo. Incluso difiere en diferentes partes del ala (dependiendo del ala). Ver

A diferencia del ángulo de incidencia, AoA es efectivamente invisible a menos que tenga un instrumento especializado en la cabina. Una de las excepciones es el “High Alpha Pass” (Alpha es un símbolo para AoA) que se usa en presentaciones de espectáculos aéreos. Ver

Saluda al Facetmobile. Al igual que los aviones de papel y su inspiración más famosa (el F-117 Nighthawk), las superficies son planas … sin curvas, ni siquiera en la parte superior de las alas.

Como vuela Utiliza Newton (“acción -> reacción”) en lugar de Burnoulli (“los fluidos curvos tienen menos presión”). La superficie del fondo plano se corta en el aire en un ángulo positivo (NO cero … eso sería perfectamente de borde y no tendría ningún efecto). El aire es empujado hacia abajo por la superficie plana, lo que resulta en empujar el avión hacia ARRIBA en “reacción igual y opuesta”.

Voló … pero mi mejor suposición es que carecía de eficiencia, por lo menos. Los ingenieros de aerodinámica en el F-117 supuestamente pidieron permiso para tener al menos un poco de superficie curva en la parte superior del ala para que vuele mejor. Al final, el F-117 era todo superficies planas, y solo podía volar con la ayuda de un sistema de control de vuelo por cable asistido por computadora. Las alas con tapas curvas le habrían dado cualidades de manejo más fáciles, una velocidad de pérdida más baja, una pérdida más segura, con mayor alcance y eficiencia de combustible. Todo lo que se sacrificó voluntariamente por el sigilo … las computadoras en ese momento no podían modelar los retornos de radar de las superficies curvas.

Básicamente, ningún avión puede volar de esa manera. Estás malentendido lo que realmente está sucediendo.

Hay algunas formas diferentes de pensar cómo las alas de los aviones producen elevación. Una explicación popular pero muy engañosa involucra el principio de Bernoulli y la curva del ala. De hecho, esta explicación no es solo engañosa, sino que a menudo se explica de una manera totalmente errónea.

Una forma más aproximada de “caja negra” de pensar sobre un ala es con las leyes de Newton. Específicamente, para cada reacción hay una reacción igual y opuesta, y F = ma. Entonces, si desea crear una fuerza hacia arriba en el ala, DEBE haber una fuerza correspondiente hacia abajo en el aire. Y si hay una fuerza hacia abajo en el aire, DEBE haber una aceleración hacia abajo correspondiente. En otras palabras, el levantamiento es causado por desviar el aire hacia abajo. Si el aire no se desvía, eso significa que no hay fuerza en el aire y, por lo tanto, no hay fuerza en el ala. Claro, puede colocar puertos de presión a lo largo del ala y medir la distribución de presión y calcular la elevación de esa manera, pero esa es solo una forma diferente de realizar el cálculo. Si realmente está produciendo elevación con el ala, DEBE desviar el aire hacia abajo.

Entonces, sabiendo eso, debe quedar claro que un ala plana (es decir, sin curvatura) con ángulo de ataque cero no va a desviar el aire, por lo que no producirá ningún levantamiento. Lo que realmente sucede con aviones como el F-22, o el SU-37, o el F-104, es que no vuelan en ángulo de ataque cero. Las alas están en un ligero ángulo con respecto al flujo de aire, lo suficiente como para generar la elevación requerida. A medida que un avión va más rápido, pasa a través de más aire, por lo que no tiene que desviarlo tanto para generar la misma cantidad de elevación. Los aviones como los tres mencionados anteriormente vuelan muy rápido y, por lo tanto, pueden pasar a ángulos de ataque muy pequeños, lo suficientemente pequeños como para que sea difícil notarlo simplemente mirando el avión.

También recomiendo la respuesta de Cameron Fraser para una explicación de la diferencia entre el ángulo de ataque y el ángulo de incidencia.

En primer lugar, sus ejemplos del F22 y el SU-37 están diseñados con el concepto de un cuerpo de elevación incorporado deliberadamente en el diseño. Dado que el fuselaje es un componente que contribuye a la fuerza de elevación total de la aeronave, no se requiere que las alas sean tan grandes, lo que ayuda a reducir el peso de la nave.

Pero, en general, se puede hacer la pregunta: ¿cómo puede un vehículo sin alas no solo volar, sino despegar totalmente verticalmente (te estoy mirando a Saturno V)?

La verdadera respuesta es simple. Pero un motor lo suficientemente grande en un ladrillo, y volará. (Sí, todo eso “de acuerdo con las leyes de la aerodinámica, un abejorro no puede volar”, total bs)

Las alas planas con ángulo de ataque cero no producen elevación. Deben tener un ángulo de ataque positivo para que eso suceda. La superficie de sustentación Clark-Y u otras superficies curvadas pueden crear elevación debido al flujo sobre la parte superior del ala que se curva hacia abajo. Las alas F22 tienen una curvatura superior muy pequeña, por lo que crearán algunas cantidades realmente pequeñas de elevación a 0 aoa. Es mejor que los aviones rápidos como f22 y su37 tengan cantidades realmente pequeñas de inclinación y alas más planas porque pueden viajar más rápido debido a la menor resistencia en el borde de ataque.

Aquí hay un par de F-16 que intentan volar tan despacio como un petrolero. Puedes ver su ángulo de ataque en relación con las alas del buque tanque.

Aquí hay un F-18 haciendo un pase lento y un pase rápido, AoA alto y AoA bajo.

Aquí hay un F16, F86, P51 y P38 en una exhibición aérea. Observe cómo el P38 aparece inclinado hacia abajo, mientras que el F16 aparece inclinado hacia arriba. Esto es de un video de YouTube, pero no recuerdo el título.

Y volaban así de un lado a otro, de aquí para allá.

Porque aunque el ángulo de incidencia puede ser cero, el ángulo de ataque puede tener un valor positivo y generar elevación subsónica, aunque no tan eficientemente como un perfil aerodinámico perfilado.

Además, el perfil del ala, aunque plano, puede diseñarse de modo que con un alto número de máquinas se desarrolle la elevación de la onda de choque.

Apesta lo suficiente e incluso un rinoceronte volará.

Traducción: el empuje delantero abrumadoramente poderoso compensa el área relativamente pequeña del ala.

Como Tom Farrier señaló en su excelente respuesta, será mejor que no pierdas el control …

A pesar de lo que pueda parecer, el ala siempre está volando con algún ángulo de ataque. A alta velocidad, este ángulo es probablemente muy pequeño y casi imperceptible. Además, la forma del fuselaje de los dos aviones que mencionaste (y muchos como ellos) también crean elevación, reduciendo la cantidad de elevación de la que son responsables las alas a cualquier velocidad de aire dada.

No tienen ángulo de ataque cero, es mínimo debido al área de ala baja, tienen que volar muy rápido solo para mantenerse en el aire.

Arrastre contra el elevador, alas pequeñas y delgadas que no arrastran mucho pero que no se elevan mucho a baja velocidad.

Grandes alas gruesas, mucha resistencia pero mucha elevación que limita la velocidad máxima.