¿Por qué los aviones supersónicos tienen alas en flecha?

Cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido, el aire sobre la parte más gruesa del ala se acelera más allá de Mach 1 aunque el propio avión siga siendo subsónico. Se forman ondas de choque, la capa límite se separa detrás de ellas, y la resistencia aumenta bruscamente: es el aumento de resistencia transónico, que aparece a partir de Mach 0,75 aproximadamente en un ala recta y gruesa. Más allá de Mach 1 aparece una segunda penalización, la resistencia de onda, la energía que se llevan las ondas de choque que arrastra toda la célula del avión.

La flecha funciona porque solo la componente del flujo de aire perpendicular al borde de ataque importa para el campo de presiones sobre la sección del ala. El flujo paralelo al borde de ataque simplemente se desliza a lo largo de la envergadura y no hace nada aerodinámicamente. Un ala con 45 grados de flecha a Mach 0,9 se comporta, por tanto, como si el flujo de aire fuera de unos Mach 0,64, y su número de Mach crítico aumenta en consecuencia. Esto se entendió en Alemania en la década de 1930, a partir del trabajo de Adolf Busemann y Albert Betz, y la investigación capturada dio forma al F-86, al B-47 y a todos los aviones de pasajeros a reacción desde entonces.

A velocidad supersónica, la misma idea adopta una forma distinta. La nariz genera un cono de Mach cuyo semiángulo se reduce al aumentar la velocidad. Si el borde de ataque del ala queda dentro de ese cono, el aire que encuentra sigue siendo subsónico en la dirección relevante, el borde de ataque puede ser redondeado, y la resistencia de onda se mantiene moderada. Por eso el delta ojival del Concorde tenía tanta flecha cerca de la raíz, y por eso los cazas de Mach 2 usan alas en delta o ángulos de flecha superiores a 50 grados. Las secciones finas y una distribución suave del área transversal, la regla del área, reducen aún más la resistencia de onda.

Un ala en flecha produce menos sustentación a baja velocidad, tiende a entrar en pérdida primero por las puntas, lo que hace que el morro se levante, y es más pesada y más flexible para su envergadura. Las velocidades de aterrizaje aumentan y el manejo a baja velocidad empeora. Los diseñadores responden con slats en el borde de ataque, flaps complejos, o moviendo la propia flecha: el F-111, el F-14, el Tornado y el B-1 pivotan sus alas hacia delante para el despegue y hacia atrás para el vuelo a alta velocidad. El compromiso es siempre el mismo: la flecha compra velocidad y cuesta prestaciones en pista.

Algunos tipos supersónicos, en particular el F-104 y antes el Bell X-1, usaron en su lugar alas rectas muy finas. Un ala suficientemente fina mantiene la resistencia de onda en niveles aceptables sin necesidad de flecha, a costa de una sustentación pobre a baja velocidad y bordes de ataque afilados como cuchillas. Los diseños modernos combinan ambas soluciones: flecha moderada, secciones finas y una regla del área cuidada, ajustadas al rango de velocidades que el avión realmente va a usar.