martes, 3 de febrero de 2015

Mas sobre aerodinámica del reactor con ala en flecha

Una de las características del vuelo en reactores que más llama la atención a los pilotos que empiezan a pilotar este tipo de avión es la ausencia del efecto hélice. Para muchos pilotos noveles los problemas iniciales consisten muchas veces en cómo frenar el reactor. La aerodinámica de un reactor es limpia y se aprecia rápidamente la menor resistencia al aire. Cuando se cortan gases en un avión de hélice, inmediatamente las palas de esta crean un efecto de resistencia al avance. Esto, que en principio limitaría las prestaciones de la aeronave en vuelo de crucero, es una gran ventaja a la hora de corregir pequeños errores en otras fases de vuelo, como aproximación y aterrizaje. El exceso de velocidad o la falta de altitud rápidamente se pueden corregir al aplicar gases en un avión con hélice. En los reactores el efecto de aplicar potencia no es inmediato.




De la misma forma el efecto de reducir la potencia no lleva aparejado un inmediato descenso en la velocidad. Debido a la limpia aerodinámica de los reactores, el hecho de que el motor sigue produciendo empuje y la falta de resistencia producida por la hélice, los reactores son difíciles de frenar. Existen modelos de aviones reactores, como el AIRBUS 330, que son muy rápidos y presentan gran dificultad a la hora de reducir la velocidad. En estos modelos es necesario empezar a decelerar muchas millas náuticas antes del aterrizaje. De lo contrario nos veremos en una situación muy incómoda, cual es verse en el área terminar de un aeropuerto, cerca de la pista, con altura correcta, pero excesivamente rápido. En el caso del AIRBUS 330 esto también es debido a la gran cantidad de momento (inercia o masa x velocidad) que presenta. Las principales razones por las que se debe de anticipar sobradamente la deceleración de la aeronave a reacción son las siguientes:
  • Aerodinámica limpia
  • Ausencia de efecto de resistencia al avance producido por la hélice.
  • El motor a reacción produce empuje aun en régimen de ralentí (Idle).
Decelerar un avión reactor lleva tiempo y más cuanto más momento de inercia. Los reactores tienen además unas características de planeo que doblan aquellas de los aviones de embolo. Muchos pilotos no pueden cumplir con las peticiones de tráfico aéreo por este motivo. Uno de los elementos que más nos ayudaran a reducir la velocidad del avión reactor son los llamados spoilers o aerofrenos. Estos dispositivos aerodinámicos (generalmente paneles rectangulares) se encargan de destruir el flujo laminar y por tanto la capacidad de generar sustentación. Van montados en el extradós del ala generalmente, aunque algunos modelos de aerofrenos se montan también en el fuselaje, como en el Fokker 100 o el BAe 146. La capacidad de destruir sustentación y producir resistencia al avance depende de la deflexión o apertura del panel. 








Desplegar los aerofrenos produce un incremento sustancial de la resistencia, pero también lleva aparejado un aumento enorme de la velocidad de descenso. Existen muchos tipos de aerofrenos y su despliegue puede llevar consigo un cambio de características, como por ejemplo la tendencia a encabritar, que el piloto debe de anticipar. En muchos modelos esta tendencia se compensa automáticamente por el sistema de vuelo automático.


La forma del ala 


Los criterios que se siguen a la hora de producir diseños de alas son los del vuelo de crucero. El vuelo de crucero es la fase donde el avión se encuentra la mayor parte del tiempo. Una de las cosas que llaman la atención nada más echar un vistazo a la planta del avión es la forma del ala en flecha del EMB 145. Si comparamos este ala con la del ATR 42 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. 





Ala en flecha

El ala en flecha es una configuración alar común en los aviones de alta velocidad. La forma más común 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.



Velocidad del sonido

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 "buffetting". 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 de las 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.


Elementos del ala en un reactor


Tal como se aprecia en la fotografía, existen componentes parecidos a los que se encuentran en los aviones más pequeños de embolo. Los flaps de borde de ataque o slats son más comunes en reactores. Otros elementos como los “wing tips” montados en el borde exterior de los planos son muy comunes en reactores comerciales de altas prestaciones, En la fotografía se pude ver un ala del A320. 





Los dispositivos de punta alar o winglets (Sharklets en las nuevas puntas alares de los A320) son dispositivos aerodinámicos utilizados en los extremos de las alas de los nuevos diseños de aviones comerciales. Habitualmente están destinados a mejorar la eficiencia de las aeronaves de ala fija. Generalmente, presentan la forma de una aleta hacia arriba en el extremo del ala pero pueden adoptar distintas geometrías. Existen varios tipos de dispositivos de punta alar y, aunque funcionan de diferentes maneras, el efecto deseado es siempre reducir la resistencia aerodinámica de la aeronave alterando el flujo de aire (vortex) cerca de las puntas alares.

Los dispositivos de punta alar también mejoran las características de manejo de la aeronave y aumentan la seguridad para las aeronaves que van detrás. Dichos dispositivos incrementan el alargamiento alar efectivo de una ala sin incremento material de la envergadura. Una extensión de la envergadura reduciría la resistencia inducida, pero incrementaría la resistencia parásita y además requeriría aumentar la fuerza y el peso del ala. Llegado un momento, no hay beneficio neto en el hecho de incrementar más la envergadura, además también existen consideraciones operacionales que limitan la envergadura (por ejemplo las dimensiones de las instalaciones en los aeropuertos).

Los dispositivos de punta alar incrementan la sustentación generada en la punta alar (alisando el flujo de aire a través de la parte superior del ala cerca de la punta) y reducen la resistencia inducida causada por los torbellinos de punta de ala, mejorando el rendimiento aerodinámico. Esto incrementa la eficiencia en el consumo de combustible en aeronaves propulsadas e incrementa la velocidad de vuelo en planeadores, incrementando en ambos casos el alcance.


Los winglets fueron introducidos por primera vez en una aeronave comercial por Airbus en el A300; eran de tamaño pequeño. En la actualidad se está generalizando el uso de estos dispositivos en aviones de tamaño medio para uso particular o ejecutivo y también en los comerciales para transporte de pasajeros, como el Boeing 737-800, el Boeing 747 y el Airbus 320, entre otros.

Esos aviones incorporan en la punta de las alas una extensión doblada hacia arriba, casi de forma vertical, cuya función es disminuir la turbulencia que se forma en ese lugar durante el vuelo, con lo cual se mejora el rendimiento aerodinámico. Los winglets permiten disminuir, aproximadamente, un 4% el consumo de combustible en vuelos que superen los 1.800 km, ya que permiten reducir la potencia de los motores sin que por eso disminuya la velocidad del avión, además de aumentar el rendimiento de la aeronave a elevados ángulos de ataque.

Básicamente podríamos decir, que las teorí­as de la fluido dinámica indican, que a lo largo del ala se forman pequeños torbellinos de viento, debido a la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós, a diferente velocidad y altitud. En la punta del ala siempre se produce un desprendimiento de la corriente en forma de torbellino, al pasar la sección transversal del ala a cero. Este desprendimiento aumenta la resistencia aerodinámica del avión, tanto más cuanto mayor sea la intensidad del torbellino. Los torbellinos van reduciendo su intensidad a lo largo de la envergadura del ala, al reducirse su sección transversal y, por tanto, la diferencia de presiones. De este modo, cuanto más larga sea el ala, menor será su intensidad. No obstante, las alas no pueden ser demasiado largas, para evitar incrementar en demasí­a las cargas en la raí­z, lo que aumentaría su peso y reduce su capacidad de carga de combustible, pasajeros y rango operativo de la nave.







Perfil aerodinámico supercrítico

El gran inconveniente de los perfiles convencionales es que a altas velocidades de vuelo aparecen ondas de choque que incrementan notablemente el valor de la resistencia aerodinámica y disminuyen considerablemente la magnitud de la fuerza de sustentación. Los diseñadores han optado por usar alas en forma de flecha regresiva, perfiles de espesor pequeño o una combinación de ambas para tratar de reducir los efectos adversos del vuelo a altas velocidades. Aun así, éste tipo deconstrucciones tenía el principal problema que el incremento en la velocidad de vuelo conseguida no era notorio (apenas se alcanzaban velocidades de MACH 0.75) además la resistencia por onda de choque crecía excesivamente y existían problemas de controlabilidad y eficiencia aerodinámica a éstas velocidades. 

Los primeros ingenieros que se toparon con éste problema empezaron a estudiar cómo se podía diseñar un ala que fuera eficiente a altas velocidades de vuelo y que se comportara de la manera más eficiente posible en vuelo abajas velocidades, especialmente en las maniobras de aterrizaje y despegue. En los principios de los años 1960, el científico de la NASA Richard T. Whitcomb, jefe del departamento de Aerodinámica Transónica, llegó al diseño del ala supercrítica. En comparación con un ala convencional, el ala supercrítica es plana en el extradós y más redondeada en el intradós, una curvatura de borde de ataque mayor comparada con un perfil convencional y con una curva del extradós-intradós hacia abajo a medida que se acerca al borde de salida. Véase la figura siguiente para apreciar las diferencias entre un perfil convencional y un perfil supercrítico.




Las técnicas aprendidas a partir de estudios de las secciones de perfil aerodinámico supercrítico originales se utilizaron en el diseño de superficies de sustentación de alta velocidad de aviones subsónicos y transónicos como el Airbus A300, el Boeing 777 y el McDonnell Douglas AV-8B Harrier II.

Los perfiles aerodinámicos supercríticos poseen cuatro beneficios principales: 

  • Tienen un mayor número de Mach de divergencia de arrastre, que se desarrollan las ondas de choque más hacia popa de superficies de sustentación tradicionales, 
  • Reducen en gran medida separación de capa límite inducida por choque, y su geometría permite para el diseño de ala más eficiente. 
  • A una velocidad particular para una sección de perfil aerodinámico dado, el número de Mach crítico, el flujo sobre la superficie superior de una superficie de sustentación puede llegar a ser localmente supersónica, pero ralentiza para que coincida con la presión en el borde posterior de la superficie inferior sin un choque. 
  • Sin embargo, a una cierta velocidad superior, el número de Mach de divergencia de arrastre, se requiere un choque para recuperar la presión suficiente para que coincida con las presiones en el borde de salida. Este choque provoca la fricción de onda transónica, y puede inducir la separación del flujo detrás de él, ambos tienen efectos negativos sobre el rendimiento de la superficie de sustentación.
En un cierto punto a lo largo de la superficie de sustentación, se genera un choque, lo que aumenta el coeficiente de presión para el valor crítico Cp-crítico, donde la velocidad de flujo local será Mach 1 - La posición de esta onda de choque se determina por la geometría de la superficie de sustentación; una lámina supercrítico es más eficiente debido a que la onda de choque se reduce al mínimo y se crea tan a popa como sea posible reduciendo así la fricción. En comparación con una sección típica perfil aerodinámico, la superficie de sustentación supercrítica crea más de su elevación en el extremo de popa, debido a su distribución de presión más uniforme sobre la superficie superior.

Además de mejorar el rendimiento transónica, vanguardia ampliada de un ala supercrítica le confiere excelentes características de alta elevación. En consecuencia, la utilización de un avión de ala supercrítica tiene despegue superior y un rendimiento de aterrizaje. Esto hace que el ala supercrítica uno de los favoritos para los diseñadores de aviones de transporte de carga. Un notable ejemplo de uno de esos aviones de carga pesada que utiliza un ala supercrítica es la C-17 Globemaster III.

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