¿Por qué algunas aeronaves tienen ala en forma de flecha?

¿Por qué usar esta configuración alar? ¿Cuál es su beneficio? Esta es una característica extremadamente común en aeronaves de transporte de pasajeros, sin embargo, también tiene sus desventajas.

Antes de explicar la aplicación del diseño de ala en flecha hay que recordar una cosa ¿Qué ocurre cuando el aire recorre la superficie superior del ala? (Sabemos que sabes la respuesta, pero igual te la diremos), el aire cuando recorre la superficie superior del ala se acelera, es un concepto básico del principio de Bernoulli aplicado a la sustentación, esto significa que la velocidad que alcance el aire cuando pasa por encima del ala es mayor que la velocidad a la cual se mueve la aeronave, pero ¿podría afectar en algo?

Es momento de introducir un nuevo concepto, la velocidad verdadera de la aeronave a la cual el aire alcanza la velocidad del sonido (Mach 1) es conocido como número crítico de Mach o Mach crítico. Para entenderlo mejor usaremos un ejemplo, el Boeing 747 tiene un Mach crítico de 0.92, en el caso de que la aeronave sobrepase esta velocidad el flujo aerodinámico tendría una velocidad igual o mayor a Mach 1.

¿Cuál es el problema de que el flujo aerodinámico sea sónico? El aire por encima del ala aumenta la velocidad, pero a medida que fluye hacia el borde de fuga del ala este desacelera. Si el flujo que anteriormente era supersónico desacelera a una velocidad menor a Mach 1 se producen ondas de choque.

Cuando el aire pasa a través de la onda de choque este pierde energía de manera repentina, toda la energía que pierde el flujo aerodinámico causa resistencia, tal es la magnitud de la perdida de energía que puede dar lugar a una separación del flujo aerodinámico por detrás de la onda de choque, produciendo más resistencia, a esto se le denomina arrastre o resistencia de onda, o wave drag en inglés.

En la imagen inferior se aprecia la zona naranja que representa el flujo sónico por encima del ala, y por detrás de la onda de choque ocurre la separación del flujo.

El diseño de ala en flecha retrasa la aparición de flujo supersónico por encima del ala y así previene la formación de resistencia de onda ¿Cómo logra eso este diseño?

En una aeronave de ala recta todo el flujo aerodinámico es paralelo a la línea de cuerda alar y perpendicular (90°) al borde de ataque, por otro lado, en una aeronave con diseño de ala en flecha solo una porción del total del flujo es paralelo a la línea de cuerda, aquí está el secreto de este diseño.

NOTA: La línea de cuerda alar es una línea recta imaginaria trazada entre el borde de ataque y el borde de salida de un perfil aerodinámico, en la dirección del flujo de aire normal. En una aeronave de ala recta la componente de viento relativo y de línea de cuerda alar son una misma pero se dividen gracias al aflechamiento del ala.

La teoría del diseño de ala en flecha es basado en el concepto de que solo el componente que es perpendicular al borde de ataque y paralelo a la línea de cuerda alar afectan a la distribución de presión y formación de ondas de choque.

El flujo aerodinámico en un ala en flecha siendo menos paralelo a la línea de cuerda alar y menos perpendicular al borde de ataque tiene el efecto de ser persuadido por el ala creyendo de que está volando más lento de lo que realmente es, así la formación de las ondas de choque es retrasada, por lo tanto, al aumentar el aflechamiento del diseño del ala se puede volar a mayores números de velocidad Mach antes de producir resistencia de onda.

Cuando se reduce la cantidad de flujo paralelo a la cuerda de línea alar también se reduce la cantidad de sustentación que crea la aeronave. Cuando la aeronave vuela a altas velocidades esta condición no presenta ningún tipo de inconveniente, sin embargo, a menores velocidades es probable que la aeronave no produzca sustentación suficiente para sostener a la aeronave, incluso a altos ángulos de ataque.

Para contrarrestar este “pequeño” inconveniente las aeronaves con este tipo de diseño alar usan extensos sistemas de flaps, mas específicamente flaps tipo fowler, adicionalmente, los bordes de ataque suelen estar equipados con Slats.

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El aflechamiento alar trae consigo un problema más significante que la reducción de sustentación, afecta también al patrón en el cual la aeronave entra en perdida.

La cantidad de flujo en la envergadura del ala se combina transversal a medida que se acerca a la punta del ala, lo que disminuye la velocidad aerodinámica efectiva de la punta del ala y espesa la capa límite. Todo esto produce que en caso de pérdida aerodinámica sea la sección mas alejada al fuselaje la que primero entre en perdida, lo que significa que la efectividad de los alerones se ves comprometida.

La aplicación de diseño de ala en flecha negativo tiene los mismos beneficios que un diseño de ala en flecha convencional, sin embargo, la razón por la cual estas aeronaves son muy raras actualmente es que el diseño naturalmente en vuelo presenta estrés en la punta del ala y es de muy compleja fabricación. Un ejemplo de una aeronave con este diseño seria el Grumman X-29, con el cual la NASA experimentó durante la década de 1980.

Artículo redactado por: Rafael Paccieri F.

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