viernes, 30 de septiembre de 2016

El ala de los E-Jet


Una de las cosas que se suele preguntar en las entrevistas de trabajo a los pilotos es el conocimiento general de la aeronave. Muchas veces se conocen detalles del avión en cuestión, pero pocas veces se sabe decir algo (aparte de las dimensiones) sobre una pieza fundamental en los aviones. Estamos hablando del ala. Tal como se puede ver en la ilustración superior, el ala del Embraer 190/195 tiene 28,72 metros de envergadura y posee un pequeño diedro positivo. En este punto habría que hablar de lo que es y lo que representa tener un diedro positivo (aumento de la estabilidad en alabeo). 

El ala cuenta con una superficie total de 92,5 metros cuadrados y se desarrolló en Japón. La responsable del diseño y producción es Kawasaki Heavy Industries. Kawasaki empezó siendo uno de los socios colaboradores de Embraer para el proyecto E-Jet y se dedicó al desarrollo y diseño de varias piezas del ala del modelo 170, incluidos los pilones, cajón central y piezas móviles. En el modelo 190/195 se amplio la colaboración pasando a fabricar el ala entera. Una vez terminadas, las alas son enviadas por vía aérea a la factoría de Embraer para su ensamblaje en el avión. La colaboración con Kawassaki se extiende también para la siguiente versión de esta familia, el modelo 190/195 E2. Como ya se ha comentado alguna vez en este Blog, el diseño del ala se ha optimizado para el vuelo transónico, para ello se diseñó un ala de perfil supercrítico ("standard rooftop" type). Se instaló en una disposición baja en cantilever y con diedro positivo.


El ala está dotada de aflechamiento progresivo (swept back wing) con el fin de reducir los efectos de la resistencia aerodinámica relacionados con la compresibilidad del aire a altas velocidades. La idea es muy sencilla, se trata de utilizar perfiles que retrasen la onda de choque creada por el vuelo a velocidades cercanas al Mach 1. En este tipo de alas la superficie del extradós es casi plana y el borde de salida se inclina hacia abajo. Otra característica del ala es su cantidad de aflechamiento. Tal como se puede apreciar en el diagrama, este ala tienen 23,5° de aflechamiento, medidos en 1/4 de la cuerda.

No es un gran aflechamiento si lo comparamos con los 747 o A330, pero es suficiente para mantener una velocidad de crucero de Mach 0.78. El aflechamiento puede variar mucho en los aviones. Se suele hablar de entre un mínimo de 0° y un valor de 45° o más, pero en los aviones comerciales de corto y medio alcance lo usual es un valor de unos 25°, como en los A320 y el 737. 

En general un constructor de aviones no aflechará mucho un ala a no ser que sea absolutamente necesario. Recordemos que un ala muy aflechada necesita mucho ángulo de ataque a bajas velocidades (se aplana su curva de sustentación, ver ilustración) y esto es un problema a la hora de aterrizar si estamos muy cerca de la velocidad de pérdida. En el gráfico se puede ver como para obtener la misma sustentación los dos aviones tienen ángulos de ataque muy diferentes. Un ala en flecha requiere más ángulo de ataque.




En la familia E-Jet se ha logrado un compromiso que parece muy cerca del ideal. Permite velocidades máximas de Mach 0.82, pero con sus slats/flaps y un peso de unas 30 toneladas puede aterrizar con poco más de 100 nudos en ISA @ S.L. sin problemas. Precisamente ese fue el compromiso de diseño que se acordó para este avión desde el principio. Máxima velocidad de crucero con bajas velocidades de aproximación y capacidad para operar en pistas cortas.


El espesor del ala es mayor de lo que uno podría esperar, mayor incluso que un ala convencional. Esto es algo positivo, ya que ayuda a la instalación de tanques de combustible mayores. Este espesor también imprime una forma característica al intradós, pudiendo ser este incluso mas curvado que el extradós, al contrario que en alas convencionales. Se utilizaron aletas de punta de plano (winglets) para intentar disminuir la resistencia inducida creada por los torbellinos de punta de plano, pero después de varios test se comprobó que su efectividad era escasa. No obstante se decidió conservar estos winglets por motivos estéticos y comerciales. En cuanto a los dispositivos hipersustentadores, se han empleado dos tipos de flaps. Los de tipo Fowler de doble ranura (Double Slotted Fowler flap) en la parte interior y los de tipo sencillo en la parte exterior del ala.


Este tipo de flaps, en comparación con otros diseños, se caracteriza porque el perfil de borde de salida se desliza hacia atrás y hacia abajo, aumentando la cuerda del ala y con ello también el área efectiva del ala. Entre las dos secciones en las que se divide el perfil alar circula la corriente de aire libre del intradós al extradós. Estas secciones son también pequeños perfiles alares, por lo que junto a la corriente de aire ejercen un importante papel en la sustentación total del ala.  El efecto combinado resultante es un aumento del coeficiente de sustentación (CL) en cualquier ángulo de ataque, por lo que también se consigue un elevadísimo coeficiente de sustentación máximo (CL máx.). Este aumento de la sustentación introduce un elemento negativo que es la tendencia al cabeceo hacia abajo (tendencia a picar) debido a la posición del centro de gravedad y el centro de presiones. Este efecto se compensa con el sistema Fly-By Wire.

Los slats variaron un poco desde el diseño inicial (cuatro paneles) hasta que se acordó una modificación para abaratar costes de producción. La versión final tiene tres paneles. Para los slats y los flaps se utilizó un método de diseño basado en 2D-Euler y otro 3D, ambos pareados con códigos de capa límite.



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Para el ala en flecha:
https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/mas-sobre-aerodinamica-del-reactor-con.html

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