viernes, 23 de enero de 2015

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. Hoy solo me voy a centrar en 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 vistazo 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. Recuerdese 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.






Ala en flecha

El ala en flecha es una configuración común en los aviones de alta velocidad. La forma más tradicional de ala en flecha es con los extremos de éstas dirigidos hacia atrás (flecha positiva), en vez de formar un ángulo recto con el fuselaje, sin embargo, la configuración opuesta (con los extremos de las alas dirigidos hacia adelante) también se utiliza en algunos aviones.


Las alas en flecha se emplean en aviones que realizan parte de sus vuelos en velocidades en torno a la velocidad del sonido. Inicialmente sólo se utilizaron en aviones de combate, pero actualmente pueden verse en prácticamente todos los aviones de reacción, incluyendo aviones de línea regular o privados.

Cuando una aeronave se aproxima a la velocidad del sonido, empieza a aparecer el fenómeno conocido como "buffting". El aire alcanza velocidades supersónicas en los extremos de las alas y esta zona de velocidad supersónica acaba en una onda de choque oblicua, que es prácticamente perpendicular en la parte superior del ala. Las pérdidas de la onda de choque normal aumentan la resistencia. El choque puede hacerse más oblicuo haciendo que el perfil de la aeronave cambie tan gradualmente como sea posible (alta finura o fineness ratio en inglés).

En lugar de cambiar el perfil es posible actuar indirectamente mediante oscilación del alas o extendiendo las alas con cuerpos anti-choque, los cuales producen efectos mínimos a bajas velocidades. Estos métodos también desplazan el choque en otra dirección (que no es visible en una vista en corte del perfil alar) especialmente con alas en flecha hacia adelante: el choque ocurre cerca del borde de ataque. El barrido hacia atrás junto con la finura suelen ser útiles sólo con alas en flecha invertida. Para vuelos supersónicos el borde de ataque del ala debe ser muy afilado o en flecha hacia atrás.



Desventajas

Cuando un avión con alas en flecha vuela a gran velocidad, el flujo de aire tiene poco tiempo para reaccionar y simplemente fluye en línea recta de delante a atrás sobre el ala. A velocidades más bajas, el aire sí tiene tiempo para reaccionar, y sufre un empuje a lo largo de la envergadura por el borde de ataque en ángulo, hacia las puntas de las alas. En la raíz de las alas, junto al fuselaje, esto no tiene un efecto perceptible, pero al acercarse a las puntas, el flujo de aire es empujado a lo largo de la envergadura, no sólo por el borde de ataque, sino por todo el aire que se mueve a lo largo de la envergadura junto a él. Así, en los extremos, el flujo de aire se mueve a lo largo del ala, en vez de pasar sobre ella, este fenómeno se conoce como flujo de envergadura.

En las alas, la sustentación alar la produce el fluir del aire sobre ella de delante a atrás. Al aumentar el flujo a lo largo de la envergadura, las capas límite sobre la superficie del ala tienen un mayor recorrido, y así, son más gruesas y más susceptibles al tránsito a flujo turbulento o separación del flujo; igualmente, el alargamiento efectivo del ala es menor, y así, hay "fugas" de aire alrededor de los extremos de las alas, reduciendo su eficacia, y la sustentación al despegue. El flujo a lo largo de la envergadura en las alas aflechadas genera un flujo de aire que mueve el punto de estancamiento en el borde de ataque de cualquier sección concreta del ala aún más bajo el borde de ataque, lo que incrementa el ángulo de ataque efectivo de los sectores del ala respecto al adyacente anterior. El resultado es que los sectores del ala aún más atrás actúan en ángulos de ataque cada vez mayores, lo que fomenta una pérdida precoz de esos sectores. Esto hace que en las alas con flecha hacia atrás entren en pérdida los extremos, al ser las puntas lo más posterior, mientras retrasa la entrada en pérdida de los extremos en las alas con flecha hacia delante, en que las puntas están adelantadas. Normalmente no es un problema, pero como los aviones reducen la velocidad para aterrizar, los extremos pueden en la práctica entrar en la zona de entrada en pérdida incluso a velocidades donde dicha pérdida no debería ocurrir. Tanto en las alas con flecha hacia atrás como con flecha hacia delante, la parte posterior del ala entra en pérdida antes. Esto produce un momento de encabritamiento o de aumento del ángulo de ataque, y así la sustentación neta -centro de presiones- se desplaza hacia delante. Si el piloto no lo corrige, el movimiento del morro hacia arriba se acentúa, lo que provoca que entre en pérdida una mayor parte del ala, lo que aumenta el alzamiento del morro, etc. Este problema acabó siendo conocido como Sabre dance en referencia a los North American F-86 Sabre que tuvieron accidentes en los aterrizajes como resultado de estos problemas.

Se desarrollaron varias soluciones para este problema. Una fue el agregado de una placa o aleta de metal llamada wing fence sobre la superficie superior del ala -extradós- para re-encauzar el flujo hacia atrás (esta solución se usó por ejemplo en el MiG-15), otro diseño similar fue el añadir una muesca en diente de perro en el borde de ataque (Avro Arrow). Otros diseños siguieron ideas más radicales, incluyendo el ala del XF-91 Thunderceptor que se ensanchaba hacia el extremo para dar más sustentación en los extremos, y los británicos se inclinaron por una planta del ala en medialuna compound sweep o ala cimitarra que tenía una mayor flecha junto a la raíz del ala, aflechamiento que se iba reduciendo a lo largo de la envergadura, al igual que el espesor del ala, utilizada en el Handley Page Victor, uno de los Bombarderos Serie V.

Las soluciones modernas al problema ya no precisan diseños "personalizados" como estos. La adición de slats -ranuras- en el borde de ataque y grandes flaps compuestos dispositivo hipersustentador en las alas ha resuelto ampliamente el problema. En diseños de cazas la adición de extensiones en el borde de ataque, hecha para mejorar la maniobrabilidad, también sirve para añadir sustentación durante el aterrizaje y reducir el problema.

El ala en flecha tiene varios problemas más. Uno es que sea cual sea la longitud del ala, la envergadura real extremo a extremo es más corta que la de cualquier ala que no sea en flecha. La resistencia a baja velocidad está fuertemente relacionada con la relación de aspecto -alargamiento-, la envergadura comparada con la cuerda; un ala en flecha siempre tiene más resistencia a baja velocidad. Otro problema es el par aplicado por el ala al fuselaje, ya que buena parte de la sustentación que produce el ala queda detrás del punto en que la raíz del ala se une al avión. Finalmente, mientras es realmente fácil hacer pasar los spars -largueros- principales del ala de un lado al otro del fuselaje en un diseño de ala recta, para usar una única pieza continua de metal, esto no es posible en el ala en flecha porque los largueros se encontrarían en ángulo.

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