El ala supercrítrica del ERJ-145

Las alas convencionales funcionan bien hasta aproximadamente Mach 0,6. A velocidades más altas, la distribución de la presión se vuelve complicada por la formación de ondas de choque. 

En un ala convencional, la succión en la parte superior del ala provoca una gran aceleración del flujo de aire. Esta aceleración hace que el flujo gane velocidad hasta que se convierte en flujo supersónico. A medida que el flujo pasa de nuevo a subsónico en la parte posterior del perfil, lo hace través de una fuerte onda de choque normal al plano (perpendicular al ala), lo que crea una gran resistencia en los aviones.

Para volar a las velocidades de crucero de los aviones comerciales actuales (M0.75-0.85), necesitamos perfiles alares que aceleren menos el aire en la parte superior. Tales superficies aerodinámicas se denominan superficies aerodinámicas "supercríticas", ya que mantienen la velocidad del aire en el lado superior en los alrededores del llamado Mach crítico (flujo aún supersónico, pero no tanto como en un perfil aerodinámico convencional). En la figura que se muestra a continuación, se puede ver en rojo el perfil aerodinámico de este tipo que fue desarrollado por Embraer para su primer avión a reacción, el ERJ-145.

Perfil aerodinámico convencional y supercrítico para el Emb145. Fuente: Embraer.

En la siguiente gráfica se puede ver el comportamiento de las presiones en la parte superior e inferior de ambos perfiles aerodinámicos.

Perfil aerodinámico convencional

Las curvas de presión en azul son para un perfil aerodinámico convencional como el NACA 23012 que vuela a Mach 0.75 y en rojo, tenemos el perfil aerodinámico desarrollado por Embraer para el ERJ145.

Tal como nos enseñaron en la escuela básica al hablar de sustentación, aprendimos que la presión alrededor de un ala y la velocidad del flujo de aire están relacionadas. Baja presión = alta velocidad de flujo de aire. Esto también es cierto para el flujo compresible, aunque el teorema de Bernoulli, que define la relación matemática entre la presión y la velocidad, no es exacto a esas velocidades.

Para ver el comportamiento de estas presiones nos debemos centrar en la escala de presión (Cp). Esta escala en el eje de ordenadas es inversa. Esto quiere decir que la parte superior de la escala representa alta succión (Cp es 1,4), creando alta sustentación en la superficie superior del ala. Por otra partye, la parte inferior (Cp - 0,8) representa una alta presión estática empujando la superficie inferior del ala.

En el ala convencional, la curva azul más alta, podemos ver cómo cambia la presión en la parte superior del ala. Al principio, el flujo se ralentiza cuando impacta con el borde de ataque del ala. El aire se para (un flujo más lento significa que la presión aumenta más que el aire circundante. Al principio el valor está en Cp = - 0,5, casi -0,6).

Entonces, el flujo comienza a pasar por la parte superior y comienza a curvarse siguendo la superficie. A medida que se curva alrededor de una superficie convexa, la velocidad del flujo aumenta. La presión cae hasta 1,1. Este pico de succión crea mucha sustentación (muy alta velocidad) pero también un flujo de aire supersónico muy rápido (Pasado Cp = 0.6 el flujo es supersónico).

Alrededor del 40% del perfil del ala, el flujo se decelera cuando pasa através de una gran onda de choque y vuelve a ser subsónico. Como sabemos, esto aumenta la presión y la onda de choque provoca la separación de la capa límite creando mucha resistencia. Tenemos lo que se denomina alta resistencia transónica.

Perfil aerodinámico supercrítico

Richard Withcomb de la NASA experimentó con perfiles alares que producían menor succión en la parte superior del ala. Para lograr esto, Withcomb aplanó la parte superior del perfil aerodinámico. Al reducir la curvatura, el aire reduce su velocidad (menos succión). Esta es la curva roja discontinua en la Figura de arriba. 

La curva de presión roja en la parte superior del ala pasa ahora ligeramente a un flujo supersónico (Cp = 0,6) y vuelve al flujo subsónico en el 70% del perfil, pero lo hace a través de una onda de choque débil, que mantiene intacta la capa límite.

El problema con este tipo de ala (como casi siempre en física), es que la reducción de resistencia transónica no se conseguía gratis. Esto tenía una contrapartida. La succión más baja significaba una sustentación también más baja para la misma velocidad del avión. Para recuperar la sustentación, la parte inferior del perfil aerodinámico recibió un acabado cóncavo en la parte trasera cerca del borde de salida, lo que ralentizaba el flujo de aire, empujándolo hacia abajo. Esto hizo que aumentara la presión en la parte inferior del ala (la curva roja de la parte inferior más allá del 70% del perfil), aumentando así la sustentación.