Ala volante

Un ala con la profundidad suficiente para albergar al piloto, los motores, el combustible, el tren de aterrizaje y demás equipo necesario tendrá una mayor superficie frontal en comparación con un ala convencional y un fuselaje largo y delgado. Esto puede resultar en una mayor resistencia aerodinámica y, por lo tanto, en una menor eficiencia que un diseño convencional. Normalmente, la solución adoptada en este caso consiste en mantener el ala relativamente delgada y equipar la aeronave con diversos componentes, como deflectores, góndolas, aletas, etc., para satisfacer todas las necesidades de una aeronave práctica.

El problema se agrava a velocidades supersónicas, donde la resistencia aerodinámica de un ala gruesa aumenta drásticamente y resulta esencial que el ala sea delgada. Nunca se ha construido un ala volante supersónica.

Para que cualquier aeronave pueda volar sin correcciones constantes, debe tener estabilidad direccional en guiñada.

Las alas volantes carecen de un lugar donde acoplar un estabilizador vertical o aleta eficiente. Cualquier aleta debe acoplarse directamente a la parte trasera del ala, lo que genera un pequeño brazo de palanca desde el centro aerodinámico, lo que a su vez significa que la aleta es ineficiente y, para ser efectiva, su superficie debe ser grande. Una aleta tan grande conlleva penalizaciones de peso y resistencia, y puede anular las ventajas del ala volante. El problema puede minimizarse aumentando el ángulo de flecha del ala y colocando aletas gemelas en la parte exterior, cerca de las puntas, como por ejemplo en un ala delta de baja relación de aspecto , pero dada la correspondiente reducción de eficiencia, muchas alas volantes tienen un ángulo de 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 desde la dirección del flujo de aire, depende del ángulo de guiñada con respecto a dicho flujo. La guiñada aumenta la relación de aspecto del ala delantera y la reduce en el ala trasera. Con un ángulo de flecha suficientemente pronunciado, la resistencia inducida diferencial resultante de los vórtices de las puntas y el flujo transversal es suficiente para realinear la aeronave de forma natural.

Un enfoque complementario utiliza torsión o torsión negativa, reduciendo el ángulo de ataque hacia las puntas de las alas, junto con una planta de ala en flecha. El Dunne D.5 incorporó este principio y su diseñador, JW Dunne, lo publicó en 1913. ^{[ 3 ]} La torsión negativa 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 puede utilizarse para optimizar el peso y la resistencia para una cantidad de sustentación dada.

Otra solución consiste en inclinar o curvar las secciones de la punta del ala hacia abajo con un diedro negativo significativo , aumentando el área en la parte trasera de la aeronave vista de lado. Cuando se combina con el barrido hacia atrás y el lavado aerodinámico, puede resolver otro problema. Con una distribución de sustentación elíptica convencional, el alerón descendente provoca un aumento de la resistencia inducida que hace que la aeronave guiñe fuera del giro ("guiñada adversa"). El lavado aerodinámico 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 exterior por el alerón crea un ligero empuje inducido para la sección trasera (exterior) del ala durante el giro. Este vector esencialmente tira del ala de salida hacia adelante para causar "guiñada proversa", creando un giro coordinado de forma natural. La existencia de la guiñada proversa no se demostró hasta que la NASA voló su demostrador sin cola Prandtl-D . ^{[ 4 ]}

En algunos diseños de alas volantes, 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 incrementa artificialmente, lo que provoca que la aeronave gire en la dirección de esa ala. Los métodos típicos incluyen:

• Alerones divididos . La superficie superior se mueve hacia arriba mientras que la inferior se mueve hacia abajo. Dividir el alerón en un lado induce guiñada al crear un efecto de freno aerodinámico diferencial.
• Spoilers . La superficie del spoiler en la parte superior del ala se eleva para interrumpir el flujo de aire y aumentar la resistencia aerodinámica. Este efecto suele ir acompañado de una pérdida de sustentación, que debe ser compensada por el piloto o mediante características de diseño que la compensan automáticamente.
• Spoilers . Un spoiler en la superficie superior que también actúa para reducir la sustentación (equivalente a desviar un alerón hacia arriba), lo que provoca que la aeronave se incline en la dirección del giro; el ángulo de alabeo hace que la sustentación del ala actúe en la dirección del giro, reduciendo la cantidad de resistencia necesaria para girar el eje longitudinal de la aeronave.

Una consecuencia del método de resistencia diferencial es que si la aeronave maniobra con frecuencia, generará resistencia con frecuencia. Por lo tanto, las alas volantes rinden al máximo cuando vuelan en aire en calma: en aire turbulento o al cambiar de rumbo, la aeronave puede ser menos eficiente que un diseño convencional.

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

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

Muchos alas delta y aeronaves ultraligeras carecen de cola. Aunque a veces se les denomina alas volantes, en realidad el piloto (y el motor, si lo lleva) se ubican debajo de la estructura del ala, en lugar de dentro de ella, por lo que no son verdaderas alas volantes.

Una aeronave con una planta en delta de fuerte flecha y una sección central profunda representa un caso límite entre las configuraciones de ala volante, ala integrada y/o cuerpo sustentador .

El concepto de ala volante nació el 16 de febrero de 1876 cuando los ingenieros franceses Alphonse Pénaud y Paul Gauchot presentaron una patente para un aeroplano o aeronave voladora ^{[ 5 ]} propulsado por dos hélices y con todas las características de un ala volante tal como la conocemos hoy. ^{[ 6 ]}

Se ha experimentado con aeronaves sin cola desde los primeros intentos de vuelo. El británico JW Dunne fue un pionero; sus diseños de biplanos y monoplanos de ala en flecha mostraron una estabilidad inherente ya en 1910. Su trabajo influyó directamente en otros diseñadores, como GTR Hill , quien desarrolló una serie de diseños experimentales de aeronaves sin cola , conocidos colectivamente como los Westland-Hill Pterodactyls , durante las décadas de 1920 y principios de 1930. ^{[ 7 ]} A pesar de los intentos por obtener pedidos del Ministerio de Aviación , el programa Pterodactyl fue finalmente cancelado a mediados de la década de 1930 antes de que se emitiera ningún pedido para el Mk. VI. ^{[ 8 ]}

El alemán Hugo Junkers patentó su propio concepto de transporte aéreo con alas únicamente en 1910, 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 gran volumen interno y la baja resistencia aerodinámica del ala volante la 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 después la Comisión de Control Aeronáutico Aliada ordenó la destrucción del JG1 incompleto por exceder los límites de tamaño de la posguerra para las aeronaves alemanas. Junkers concibió alas volantes futuristas para hasta 1000 pasajeros; lo más cerca que estuvo de hacerse realidad fue en el avión de pasajeros Junkers G.38 Grossflugzeug de 34 plazas de 1931 , que presentaba un ala grande de cuerda gruesa que proporcionaba espacio para el combustible, los motores y dos cabinas de pasajeros. Sin embargo, aún requería un fuselaje corto para albergar a la tripulación y a los pasajeros adicionales.

El soviético Boris Ivanovich Cheranovsky comenzó a probar planeadores de ala volante sin cola en 1924. Después de la década de 1920, diseñadores soviéticos como Cheranovsky trabajaron de forma independiente y en secreto bajo Stalin . ^{[ 9 ]} Con avances significativos en materiales y métodos de construcción, se hicieron posibles aeronaves como el BICh-3 , ^{[ 10 ]} BICh-14 , BICh-7A . Hombres como Chizhevskij y Antonov también alcanzaron protagonismo en el Partido Comunista al diseñar aeronaves como el BOK-5 sin cola ^{[ 11 ]} (Chizhevskij) y el OKA-33 ^{[ 12 ]} (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, ^{[ 13 ]} compitió con los hermanos Horten H1 y Adolf Galland en la Novena Competición de Planeadores en 1933, pero no fue presentado en los Juegos Olímpicos de verano de 1936 en Berlín.

En Alemania , Alexander Lippisch trabajó primero en modelos sin cola antes de pasar progresivamente a las alas volantes, mientras que los hermanos Horten desarrollaron una serie de planeadores de ala volante 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 motorizadas. ^{[ 14 ]}

En Estados Unidos , desde 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, realizó su primer vuelo en 1940. En 1941, Northrop recibió un contrato de desarrollo para construir dos ejemplares del ala volante YB-35, un ala volante de cuatro motores de gran tamaño con una envergadura de 172 pies. El desarrollo y la construcción de esta aeronave continuaron durante toda la Segunda Guerra Mundial. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Otros ejemplos de alas volantes reales de la década de 1930 incluyen el planeador AV3 del francés Charles Fauvel de 1933 y el planeador estadounidense Freel Flying Wing que voló en 1937. ^{[ 17 ]} que presenta un perfil aerodinámico autoestabilizador en un ala recta.

Durante la Segunda Guerra Mundial , los problemas aerodinámicos se comprendieron lo suficiente como para comenzar a trabajar en una serie de prototipos representativos de la producción. En la Alemania nazi , los hermanos Horten fueron fervientes defensores de la configuración de ala volante, desarrollando sus propios diseños en torno a ella, utilizando de forma única para la época la "distribución de sustentación en forma de campana" de Prandtl, similar a la de un pájaro. ^{[ 18 ]} Uno de esos aviones que produjeron fue el planeador Horten H.IV , que se produjo en pequeñas cantidades entre 1941 y 1943. ^{[ 19 ]} Varios otros diseños militares alemanes de finales de la guerra se basaron en el concepto de ala volante, o variaciones del mismo, como una solución propuesta para extender el alcance de los aviones propulsados ​​por los primeros motores a reacción, que de otro modo tenían un alcance muy corto .

El prototipo del caza a reacción Horten Ho 229 voló por primera vez en 1944. ^{[ 20 ]} 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 propulsada por dos motores a reacción , siendo su primer vuelo reportado en marzo de 1944. El V2 fue pilotado por Erwin Ziller, quien murió cuando una parada de llama en uno de sus motores provocó un accidente. Se hicieron planes para producir el tipo como el 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 como caza nocturno , ningún Go 229 o P.60 construido por Gotha nunca se completó. El "V3", o tercer prototipo sobreviviente, que no voló y estaba casi completo, fue capturado por las fuerzas estadounidenses y enviado de regreso para estudio; ha terminado almacenado en la Institución Smithsonian . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Los Aliados también realizaron varios avances relevantes en el campo utilizando una distribución de sustentación elíptica convencional con superficies de cola verticales. Durante diciembre de 1942, Northrop realizó el vuelo del N-9M , un avión de desarrollo a escala de un tercio para un bombardero de largo alcance propuesto; ^{[ 23 ]} se produjeron varios, todos menos uno fueron desguazados tras la cancelación del programa de bombarderos. ^{[ 24 ]} 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 . ^{[ 25 ]}

El Armstrong Whitworth AW52 G británico de 1944 fue un banco de pruebas para un planeador propuesto como avión de pasajeros de ala volante de gran tamaño capaz de cubrir rutas transatlánticas . ^{[ 26 ] [ 27 ]} Posteriormente, el Armstrong Whitworth AW52 fue sucedido por el AW52G , un modelo totalmente metálico propulsado por reactor capaz de alcanzar altas velocidades para la época; se prestó gran atención al flujo laminar . ^{[ 27 ] [ 28 ]} El AW52 realizó su primer vuelo el 13 de noviembre de 1947, pero los resultados fueron decepcionantes; el primer prototipo se estrelló sin víctimas mortales el 30 de mayo de 1949, siendo esta la primera vez que un piloto británico utilizó de emergencia un asiento eyectable . El segundo AW52 permaneció en servicio con el Royal Aircraft Establishment hasta 1954. ^{[ 27 ]}

Los proyectos continuaron estudiando el ala volante durante la posguerra . El trabajo en el bombardero de largo alcance YB-35, iniciado en 1941, prosiguió durante toda la guerra, con los primeros aviones de preproducción volando en 1946. Este fue reemplazado al año siguiente por la conversión del modelo a propulsión a reacción, dando lugar al YB-49 de 1947. ^{[ 29 ]}

Inicialmente, el diseño no ofrecía una gran ventaja en cuanto a alcance en comparación con los bombarderos de pistón más lentos, principalmente debido al alto consumo de combustible de los primeros turborreactores; sin embargo, marcó un hito en velocidad para un avión de gran tamaño.

El 9 de febrero de 1949, voló desde la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California hasta la Base de la Fuerza Aérea Andrews, cerca de Washington, D.C., 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. ^{[ 30 ]} El YB-49 presentó algunos problemas menores de estabilidad lateral que se estaban corrigiendo con un nuevo sistema de piloto automático, cuando la versión bombardera fue cancelada en favor del mucho más grande pero más lento B-36 "Peacemaker" . Una versión de reconocimiento continuó en desarrollo durante algún tiempo, pero la aeronave 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 supersónico en 1948; ^{[ 31 ]} el autor de aviación Bill Gunston se refirió al BICh-26 como adelantado a su tiempo. ^{[ 32 ]} Sin embargo, el avión no fue aceptado por el ejército soviético y el diseño murió con Cheranovsky.

Varias otras naciones también optaron por emprender proyectos de alas volantes. Turquía fue uno de esos países; la empresa Turk Hava Kurumu Ucak Fabrikasi produjo el planeador sin cola THK-13 durante 1948. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Varios fabricantes británicos también exploraron el concepto en ese momento. Las primeras propuestas para el Avro Vulcan , un bombardero estratégico con armamento nuclear diseñado por Roy Chadwick , también exploraron varias configuraciones de alas volantes, aunque el diseño final tenía un fuselaje. ^{[ 35 ]}

Ha habido un interés constante en el ala volante para funciones de transporte a gran escala de carga o pasajeros. Boeing , McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth han realizado estudios de diseño sobre aviones de pasajeros con ala volante ; sin embargo, aún no se ha construido ninguno. ^{[ 27 ]}

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

El interés por las alas volantes se reavivó 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 dificulta la detección de la aeronave a menos que el receptor de radar se encuentre en una posición específica con respecto a la aeronave, una posición que cambia continuamente a medida que la aeronave se mueve. ^{[ 36 ]} Este enfoque finalmente condujo al Northrop Grumman B-2 Spirit , un bombardero furtivo de ala volante . ^{[ 37 ] [ 38 ]} 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 da como resultado un bombardero de largo alcance eficiente y prácticamente estable. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Debido a la necesidad práctica de un ala profunda, el concepto de ala volante se adopta principalmente para aeronaves subsónicas . Ha habido un interés constante en su uso para el transporte aéreo de gran tamaño, donde el ala es lo suficientemente profunda como para albergar carga o pasajeros. Varias compañías, incluidas Boeing , McDonnell Douglas y Armstrong Whitworth , han realizado estudios de diseño sobre aviones de pasajeros con ala volante hasta la fecha; sin embargo, ^{[ 27 ]} hasta 2025, no se había construido ningún avión de este tipo.

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 velocidad supersónica. La aeronave despegaría y aterrizaría con el ala de baja velocidad transversal al flujo de aire, luego giraría un cuarto de vuelta para que el ala de alta velocidad se dirija al flujo de aire para el viaje supersónico. ^{[ 41 ]} La NASA ha financiado un estudio de la propuesta. ^{[ 42 ]} Se afirma que el diseño ofrece baja resistencia de onda, alta eficiencia subsónica y estampido sónico reducido.

Desde el final de la Guerra Fría , se han producido numerosos vehículos aéreos no tripulados (VANT) con alas volantes. Las naciones han utilizado típicamente estas plataformas para el reconocimiento aéreo ; tales VANT incluyen el Lockheed Martin RQ-170 Sentinel ^{[ 43 ] [ 44 ]} y el Northrop Grumman Tern . ^{[ 45 ] [ 46 ]} Las empresas civiles también han experimentado con VANT, como el Facebook Aquila , como satélites atmosféricos . ^{[ 47 ] [ 48 ]} Se han producido varios prototipos de vehículos aéreos de combate no tripulados (UCAV), incluidos el Dassault nEUROn , ^{[ 49 ]} el Sukhoi S-70 Okhotnik-B , ^{[ 50 ]} el DRDO Ghatak , DRDO SWIFT y el BAE Systems Taranis . ^{[ 51 ]}

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