La forma del ala (ala en flecha Vs ala recta)

Una de las cosas que llaman la atención nada más echar un vistazo a la planta de cualquier avión es la forma del ala. En el ejemplo de debajo se puede comparar el ala en flecha del EMB 145 con el ala recta del ATR 42. Para ver una explicación del ala y su nomenclatura, mejor ver antes este post. En un primer, aunque el área en metros cuadrados es parecida, enseguida nos damos cuenta de la gran diferencia de diseño.

Tal como se aprecia en la ilustración, el ala del ATR 42 es casi recta mientras que la del EMB 145 tiene una flecha bastante pronunciada para un avión comercial: φ1/4 = 22.72°. Se ha tratado de representar las dos alas a la misma escala para poder apreciar mejor las dimensiones y la diferencia en envergadura (3,5 metros si la comparamos con el ATR 72). Otra de las características típicas del ala del Embraer es que no lleva motores montados en pilones. Es un diseño muy limpio aerodinámicamente hablando ya que los motores van montados en el fuselaje trasero. No existe corriente de aire generada por la hélice sobre el ala del Embraer, lo cual puede ser una desventaja. Recuérdese que en los aviones equipados con hélices un aumento de la potencia genera casi de inmediato un aumento de sustentación precisamente porque impulsa el aire por encima del ala. Debajo se puede ver la planta alar del Embraer 145,

Ala en flecha

El ala en flecha es una configuración muy común en los aviones reactores de hoy en día, pero no es nada nuevo, el ingeniero irlandés John William Dunne ya empleó un ala en flecha en 1914 en su modelo Dunne 8.

En aquella época no se le pudo sacar todo el partido a este tipo de ala porque la velocidad de los aviones era muy baja. Donde brilla este ala es precisamente en las velocidades altas subsónicas y en las supersónicas. Durante la IIGM los aviones alcanzaban ya velocidades considerables. En esas regiones donde la compresibilidad introdujo serios problemas aerodinámicos el ala en flecha se hizo muy popular. Al final de la contienda el Me 262 contaba ya con los dos elementos que definirían la aviación del futuro, el reactor como planta motriz y el ala en flecha para altas velocidades.

El reactor suele tener una velocidad superior la de la hélice y a gran velocidad la forma aflechada tiene varias ventajas sobre el ala recta. Aunque se pueden encontrar configuraciones con flecha regresiva o invertida, lo más común es encontrarnos con diseños de ala con flecha positiva (sweepback wing en inglés). Debajo se puede ver una composición lado a lado del X-29 con alas en flecha invertida y el F-5 con flecha positiva. El principio por el cual se retrasa el Mach Crit es el mismo en ambos.

El HFB 320 Hansa Jet es un avión comercial bimotor de diez asientos construido por el fabricante alemán Hamburger Flugzeugbau entre 1964 y 1973.

A velocidades subsónicas, el aumento del ángulo de la flecha del ala incrementa el número de Mach crítico, es decir, el número de Mach en el que comienzan a aparecer los efectos adversos de la compresibilidad. El efecto del aflechamiento en el número de Mach crítico fue estudiado por los ingenieros alemanes ya en los años 30. Después de la Segunda Guerra Mundial, gran parte de la información experimental que se había acumulado en Alemania estuvo disponible en los Estados Unidos. Junto con los datos obtenidos en los túneles de viento de la NACA, esta información sirvió de base para los primeros cazas de ala en flecha diseñados en los Estados Unidos, como el famoso F-86 Sabre. Debajo se puede ver el aflechamiento del Embraer 145. Para facilitar los cálculos, los ingenieros aeronáuticos suelen medir este aflechamiento a 1/4 de la cuerda del ala. El aflechamiento del ala se suele representar con la letra griega mayúscula Lambda (⋀).

Lo que se consigue con el ala en flecha es "engañar" al ala haciendo que la sustentación que genere sea creada por la componente normal al ala y no por la velocidad real a la que se mueve el avión en el aire. En el dibujo se puede ver como el aire que impacta en el borde de ataque se representa con una flecha de color azul claro. Este aire impacta perpendicularmente (normal al plano) y es el aire que genera la sustentación. La flecha azul oscura representa la componente de aire al que se mueve el avión. La velocidad real del avión es más alta, pero el ala solo "siente" la componente normal. Esto se comprobó experimentalmente en los túneles de viento. La componente del aire que está representada por la flecha verde en realidad no genera sustentación alguna, pues se mueve "resbalando" por el perfil entre áreas de igual presión., que son paralelas al borde de ataque y por lo tanto no contribuyen a crear sustentación.

De la misma forma, la onda de choque solo depende del aumento local de velocidad y su aparición depende solo de la componente normal al borde de ataque. De esta forma el ala logra que el número de Mach crítico ocurra más tarde. El Mach crítico de un ala es el número de Mach, de la aeronave no del ala, en la que en algún punto de esta el aire que pasa por ella alcanza el Mach 1.0. Con un número de Mach ligeramente superior a este valor crítico, se forman ondas de choque en el ala creando grandes cambios en las fuerzas, los momentos y las presiones del ala. Si se continúa volando y acelerando en este régimen, el avión se puede volver ingobernable. Debajo se puede ver un gráfico donde se muestra la diferencia entre alas rectas y con aflechamiento creciente con respecto al coeficiente de resistencia creado a altas velocidades.

Desventajas del ala en flecha

Una de las grandes desventajas de un ala en flecha es que esta no genera mucha sustentación a bajas velocidades. La pendiente de la curva de sustentación de un ala en flecha es menor que la de un ala recta tal como se puede ver debajo en el gráfico. Para compensar este problema el avión necesite más ángulo de ataque en los despegues, pero esto da lugar a que se necesita más pista para despegar y un tren de aterrizaje más alto para evitar golpear con la cola en la rotación.

Para paliar los efectos del ala en flecha a bajas velocidades, los reactores comerciales modernos cuentan con superficies aerodinámicas secundarias como los slats y/o los flaps.

Otra característica peculiar de las alas en flecha es que la curva de sustentación, como la que hemos visto más arriba es casi plana en las cercanías del CL max. Esto hace que al acercarse a las velocidades de pérdida esta no sea muy clara para el piloto. Por este motivo la legislación aérea actual requiere para las aeronaves con ala en flecha y que no tengan claras indicaciones de que el avión entra en pérdida (buffet) la instalación de algún tipo de alerta sonora y táctil que avise al piloto con tiempo suficiente. Este elemento es el llamado "Stick Shaker", que se dispara un 5% antes de que se produzca la verdadera pérdida.

Alas de geometría variable

Para poder retrasar el Mach crítico existen otros "trucos" aerodinámicos empleados por los ingenieros. Unos de ellos es reducir el espesor del ala. Durante muchos años, la reducción del espesor del perfil aerodinámico fue el único método conocido para aumentar el número de Mach crítico  hasta que se descubrió el aflechamiento. El espesor del ala se entiende como la relación del grosor expresada en porcentaje y definida como el grosor del ala dividida por su cuerda.

Las alas delgadas y de baja relación de aspecto son parte de los ingredientes aerodinámicos de una aeronave supersónica con poca resistencia aerodinámica, pero al mismo tiempo esta configuración no es nada buena para volar a bajas velocidades porque produce mucha menos sustentación y vuelve menos eficiente al ala. Los aterrizajes y los despegues, por ejemplo deben de efectuarse a velocidades mucho más altas de lo habitual. Existen aviones, generalmente militares, que fueron diseñados para misiones en las que se requería velocidad supersónica y que a la vez pudieran tener unas velocidades de aproximación y aterrizaje aceptables, como por ejemplo las que se requieren en los portaaviones.

Estos requisitos de multimisión sugieren un ala cuyo ángulo de aflechamiento, y por lo tanto la relación de aspecto, se puede ajustar de alguna manera mecánicamente en vuelo para adoptar la posición óptima en cada régimen de velocidad. Debajo se muestra uno de estos aviones con el ala de geometría variable. Se puede apreciar el ala colocadas en tres posiciones de flecha diferentes. El aumento en la envergadura del ala, y por lo tanto la relación de aspecto, que acompaña al movimiento del ala en los ángulos de aflechamiento bajos es muy claro.