Los secretos del vuelo supersónico: la regla del área

Una vez terminada la Segunda Guerra Mundial, los Estados Unidos se centraron en las investigaciones aeronáuticas para la creación de aviones que pudieran volar en régimen transónico-supersónico y con una baja huella sonora. En los comienzos de los 50 ya se había volado muy por encima del Mach 1, pero los ingenieros encontraron que volar en régimen supersónico era muy costoso en términos de potencia requerida. Ello era debido principalmente a la gran resistencia al avance que encontraban los aviones en el régimen transónico. Esto es lo que se denominó como "transonic drag rise" en inglés y que se puede ver ilustrado en el gráfico siguiente.


La resistencia al avance era creada por la formación de ondas de choque en varias partes del avión, de ahí le viene precisamente el nombre "resistencia de onda". Estas ondas de choque empezaban a formarse alrededor del Mach 0,8 y, como se puede ver en el gráfico, incrementaban la resistencia hasta el Mach 1. Los motores reactores, aunque habían experimentado muchas mejoras, no podían dar más de sí. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos quiso construir el primer caza interceptor puramente supersónico, el Convair F-102 Delta Dagger, e intentó llegar al Mach 1,2 a base de potencia en el motor. El resultado fue decepcionante. El avión no conseguía siquiera alcanzar el Mach 1 en vuelo recto y nivelado. El problema resultó ser un enorme desafío para los mejores ingenieros y como estos no daban con la solución, llamaron a un gran aerodinamicista que por aquel entonces trabajaba para la NACA. Se trataba del Dr. Richard Whitcomb, brillante ingeniero que resolvió la papeleta con un enfoque muy intuitivo gracias a la llamada "Regla del área".

Después de considerar el repentino aumento de resistencia que experimentaba una combinación ala-fuselaje cerca de los 800 km/h, Whitcomb concluyó que "las perturbaciones y las ondas de choque son simplemente una función de la variación longitudinal del área de la sección transversal". Es decir, el efecto de las alas podría visualizarse como equivalente a un fuselaje, una especie de abultamiento cuya área frontal era la misma que la de las alas. Como no se podía prescindir de las alas, la alternativa a eliminar este "bulto" pasaba entonces por disminuir la sección transversal del fuselaje cerca de las alas. 

Esta solución introdujo el conocido talle de avispa en los fuselajes de muchos aviones y permitió una reducción significativa en la resistencia al avance en las cercanías de la velocidad del sonido. El prototipo del Convair YF-102, por ejemplo, fue modificado y su fuselaje se hizo más esbelto, como si de una botella de Coca-Cola se tratase. 


Por este gran logro y por su visión y enfoque, Whitcomb ganó el famoso Trofeo Collier en 1954. En 1958, Whitcomb fue nombrado jefe de la rama de aerodinámica transónica de Langley, y comenzó a trabajar en los diseños de un transporte supersónico civil (SST). Construyó muchos moedelos y de sus estudios y sobre todo de su intuición salió una de las mayores contribuciones al vuelo transónico, el ala supercrítica.


Debajo se puede ver la diferencia entre un avión normal y otro con la regla del área cuando vuelan cerca de las regiones transónicas. 


La experimentación en el túnel de viento fue esencial para que Whitcomb lograra determinar cómo influía el talle de avispa en la resistencia. Debajo se le puede ver con uno de sus modelos dentro del túnel de viento. Richard Whitcomb era considerado un poco excéntrico y se cuenta que parecía sentirse como en casa en las instalaciones del túnel de viento de Langley, donde se decía que a veces dormía entre turnos de trabajo. Whitcomb desde luego, tendía a preferir la intuición al cálculo a la hora de elaborar diseños.

Debajo se pueden ver tres de los modelos experimentales de Whitcomb, que representan un fuselaje cilíndrico simple (A), el mismo fuselaje con alas (B) y un fuselaje con talle de avispa y con alas (C). Lo que Whitcomb descubrió fue que la adición de alas al cilindro básico (B) producía el doble de resistencia que el cilindro solo sin alas. Sin embargo, al reducir el área de la sección transversal del fuselaje sobre la región donde estaban unidas las alas (C), la resistencia total resultó ser aproximadamente la misma que la del cilindro solo.


La conclusión de esta investigación fue que dar forma a la aeronave para crear una distribución de área de sección transversal suave desde la nariz hasta la cola podría reducir drásticamente la resistencia al avance de un avión. La regla del área nos dice que el volumen del cuerpo debe reducirse en presencia de un ala, superficie de cola u otra protuberancia para que no haya discontinuidades en la distribución del área de la sección transversal de la formas de la aeronave.


Aplicados estos hallazgos al F-102 se encontraron las diferencias que se muestran a continuación, siendo la curva discontinua verde un fuselaje cilíndrico ideal. Con la regla del área el caza no solo llegó al Mach 1,2 sostenido sino que pudo alcanzar, con la ayuda de un nuevo motor, el 1,5 en velocidad máxima.  


Comentarios

  1. Buenas tardes. Es curioso que franceses y soviéticos no resolvieron, hasta el Mirage III, ese problema así. El MiG 19 y 21son cilindros, dos paralelos en el 19 y uno en el 21; Sukhoi 9 y 11, lo mismo. Y el resto de MiG son unas bestias rectas con unos motores enormes. El SMB2 francés, que superó Mach 1, tampoco presentaba esta solución

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    1. Hola Pedro,
      Efectivamente los rusos y franceses tardaron más en aplicar esta técnica. Como se puede ver, en todos esos aviones que mencionas la toma de aire es frontal. En esa configuración no es sencillo estrechar el fuselaje. Si miras el diseño del F-100 Super Sabre verás que ocurre tres cuartos de lo mismo. Cuando las tomas de aire son laterales es mucho más común ver la regla del área.
      Saludos
      Manolo

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