El ala del C-Series de Bombardier

El otro día volé de ZRH a MAD (como pasajero) por primera vez en un C-Series de nuestra compañía. El C-Series 100 de Bombardier es un bimotor subsónico de alcance medio capaz de transportar cómodamente a 125 pasajeros.  El avión está dotado de 2 motores turbofan muy eficientes de ultra alto índice de derivación que consumen incluso menos combustible de los previsto. Tal como se puede ver en este vídeo su vuelo en medio de los Alpes Suizos resulta majestuoso y grácil cual gran avutarda :)

El ala de este avión está certificada para poder levantar sin dificultad 55 toneladas del suelo, que es el peso máximo al despegue de este avión, pero en realidad es capaz de mucho más. Si alguien nos preguntara en una entrevista de trabajo sobre esta parte del avión deberíamos saber decir algo más.

La forma y los datos del ala

El ala del C-Series se encuentra en posición baja y está instalada en voladizo (cantilever). Todos los elementos estructurales están dentro de la superficie aerodinámica, dando una apariencia limpia y sin ofrecer resistencia aerodinámica.

Envergadura (b): En este avión son 35,1 metros de punta a punta, tal como se aprecia en el diagrama. La envergadura se define como la distancia entre los dos extremos de las alas. Si multiplicamos la envergadura por la cuerda media obtenemos la superficie alar.

Superficie (S): 112,3 metros cuadrados.

Diedro: Visto el avión de frente, es ángulo en forma de "V" que forman las alas con respecto al horizonte. El efecto del diedro positivo es la mejora en la estabilidad natural en alabeo. Tal como se aprecia en el diagrama, el diedro del C-Series 100 está alrededor de los 6,5°.

Flecha (sweep) (φ).- Es el ángulo que forma la línea del 25% y una perpendicular al eje longitudinal del avión. La línea del 25% de la cuerda es aquella que se obtendría si uniéramos todos los puntos a lo largo de la envergadura que están situados a un 25 % de su cuerda contados a partir del borde de ataque. Si el ala no tuviera estrechamiento, este ángulo sería el mismo que el formado por el borde de ataque del ala, y la perpendicular al eje longitudinal. La flecha puede ser progresiva o regresiva. En los reactores comerciales modernos oscila entre veintitantos grados hasta casi los 40°. El DC-8 tiene 30°, el B-727 32° y el B-747 37,5°. En el C-Series según se aprecia en el diagrama parece tener unos 26,5°.

Estrechamiento (taper ratio) (λ): Se define por el cociente: Ct / Cr en donde Cr es la cuerda del perfil en el encastre y Ct es la cuerda del perfil en la punta.

Alargamiento (aspect ratio) (A): Es la relación o cociente entre la envergadura y la cuerda media. A = b/c o lo que es igual A = b2/S. Este dato nos dice la relación existente entre la longitud y la anchura del ala (Envergadura/Cuerda media). Por ejemplo; si este cociente fuera 1 estaríamos ante un ala cuadrada de igual longitud que anchura. A medida que este valor se hace más elevado el ala es más larga y estrecha. Este cociente afecta a la resistencia inducida de forma que: a mayor alargamiento menor resistencia inducida. Las alas cortas y anchas son fáciles de construir y muy resistentes pero generan mucha resistencia; por el contrario las alas alargadas y estrechas generan poca resistencia pero son difíciles de construir y presentan problemas estructurales. El alargamiento varía desde 3 ó 4 en aviones muy rápidos hasta 20 ó 30 en algunos planeadores. El DC-6 tiene 9,44 de alargamiento, 8 el Caravelle VI-R, 7,2 el Boeing 727 y 6,96 el Boeing 747.

Cuerda media (c): Normalmente los perfiles que constituyen el ala suelen ser distintos a lo largo de la envergadura, y además, las cuerdas que los constituyen van disminuyendo desde el encastre hasta las puntas. Se define cuerda media, como aquella que, multiplicada por la envergadura, es igual a la superficie alar: c. b = S.

Cuerda media aerodinámica (mean aerodinamic chord) o MAC: Es la que tendría un ala rectangular (estrechamiento uno) y sin flecha que produjera el mismo momento y sustentación. La posición de la cuerda media aerodinámica respecto al eje longitudinal del avión puede hallarse mediante fórmulas apropiadas o geométricamente. Su posición es de importancia en cuanto a consideraciones de estabilidad longitudinal. En el CSeries MAC = 3,78.

Sperficies de control

• Flaps (todos): 18,7 m^2
• Alerones (todos): 3 m^2
• MFS (multifunction spoilers) (4 por ala): 0,7 m^2
• Ground Spoiler (1 por ala): 1 m^2

Ala super-crítica

Los beneficios de un ala supercrítica incluyen:

• Una reducción significativa en la separación de capa límite inducida por choque
• La producción de una onda de choque más pequeña y débil en una posición más adelante en el ala que las alas tradicionales.
• Un diseño de ala más eficiente, ya que el perfil aerodinámico supercrítico permite una reducción del aflechamiento del ala o un bien un aumento en el espesor de la ala, todo ello sin el correspondiente aumento de resistencia que se asociaría a un perfil aerodinámico típico

Los elementos del ala

Indudablemente, el uso avanzado de fibras secas y proceso de infusión de resinas es la parte más novedosa del ala de este avión. Aún así el ala muestra elementos más convencionales, como los dispositivos hiper-sustentadores que se muestran a continuación.

El ala posee un sistema anti-hielo que calienta los slats exteriores (del motor hacia la punta de plano) empleando el aire de sangrado del motor. El sistema anti-hielo se encuentra inhibido en tierra cuando la velocidad es de 60 nudos o más baja. Esto es un retraso que los ingenieros consideran suficiente para no evaporar (...y hacer inútil) el fluido anti-hielo que se encuentre sobre las alas.

En la foto se puede apreciar el calado de los FLAPS para el, aterrizaje y como se despliegan los spoilers (todos los paneles). Para poder ayudar a la deceleración de la aeronave, el sistema de vuelo FBW también sube los dos alerones, tal como se puede ver en el detalle de la derecha en la foto. Esto hace que se pierda sustentación rápidamente una vez que el avión se encuentra en el suelo (WoW).

La geometría del "traling edge" o borde de salida. 

El borde de salida de los perfiles alares puede ser afilado, plano o redondeado. La teoría de la sustentación (incorrecta) de Kutta-Zhukovsky suele llevar a una idea (incorrecta) ampliamente aceptada en la que se requiere un borde de salida afilado para poder generar sustentación. Incluso la Wikipedia lo expresa así: 

La condición Kutta explica el porqué de los bordes de salida afilados, incluso siendo estos indeseables desde el punto de vista estructural y de manufactura. Un avión dotado de un ala con borde de salida suavemente redondeado no generaría sustentación o esta sería casi despreciable. Por ello, los perfiles normalizados de la NACA se produjeron todos con los bordes de salida afilados. 

En la práctica, los bordes de salida son suavemente redondeados y no destruyen la sustentación. Las simulaciones con las ecuaciones de Navier-Stokes y bordes de salida suavemente redondeados o planos muestran un gran ajuste con lo que ocurre en la realidad. Es decir, con las observaciones experimentales. Aunque sea algo no muy intuitivo la realidad (y estas ecuaciones) nos dicen que lo ideal es un borde de salida plano.

Estos perfiles alares con borde de salida planos se denominan en inglés "Flatback Airfoils". Son perfiles con la parte posterior cortada, tal como se puede ver en el detalle de la foto más abajo, donde se muestra la parte posterior de los FLAPS.

En varios estudios y ensayos llevados a cabo en el túnel de viento por diferentes laboratorios, se demuestra que los experimentos con perfiles "Flatback" son más eficientes aerodinámicamente que los tradicionales perfiles de bordes afilados. El ala del C-Series se ha fabricado teniendo en cuenta dichos estudios. Ver foto.

En mi vuelo a Madrid me dio tiempo a fijarme en los pequeños (grandes) detalles de este ala.

Proceso de fabricación del ala

Estas alas son una maravilla de la ingeniería y los procesos de fabricación se consideran lo último esn tecnología de materiales compuestos. El ala del Bombardier se fabrica en el centro que la compañía tienen en Belfast (Irlanda del Norte), estas instalaciones fueron anteriormente conocidas como Shorts Brothers. GKN Aerospace en Isle of Wight, es la encargada de la fabricación de los winglets o aletas de punta de plano. Cytec Engineered Materials de Wrexham es la encargada de proveer la fibra de carbono y los avanzados materiales compuestos del ala. Goodrich Actuation Systems, de Wolverhampton provee el sistema de movimiento y actuación de los flaps y slats. El centro de Belfast ha desarrollado un innovador proceso de producción que emplea el denominado sistema de infusión de transferencia de resinas. En el vídeo que se puede ver a continuación se explica un poco por encima este sofisticado e innovador proceso:

El ala cuenta con los revestimientos superiores e inferiores reforzados integralmente. Los largueros delantero y trasero están hechos de materiales compuestos de carbono y se se sujetan mecánicamente con las costillas que son de aluminio. Junto con el ala del Learjet, el CSeries es el primer avión del mundo en utilizar maeriales compuestos de fibra de carbono seca. Esta técnica es muy innovadora, ya que hasta ahorfa las alas de materiales compuestos en otros aviones eran materiales compuestos pre-impregnados. La nueva técnica llamada en inglés "resin transfer infusion" o"resin transfer injection" (RTI), está basada en la patente británica GB2316036, emitida en 1998. Esta patente ayuda a entender parte del vídeo (hacia el minuto 1:20). Ver figura 6H. 

En el minuto 1:20 se pueden ver como se eleva un sistema de moldeado de largueros de tres piezas de sección transversal triangular se usan para mantener en posición los elementos pre-formados del larguero o T-Stringers contra los elementos superiores.

El refuerzo de fibras secas utiliza tejidos uni y mutidireccionales (NCF) de Saertex (Saerbeck, Alemania), es de dos a cuatro veces más grueso que las capas pre-impregnadas equivalentes, permitiendo una colocación más eficiente y una menor probabilidad de errores. Un cortador automatizado produce formas de capas muy precisas que luego se colocan a mano o se aplican utilizando equipos de "pick-and-place" automatizados. El sistema de plantillas láser 3-D LaserEdge de Virtek (Gerber Technologies, Tolland, Connecticut, EE. UU.) proporciona una gran precisión y eficiencia en el proceso.

Una vez cortadas y montadas las piezas se les aplica presión de vacío y se inyecta la resina epoxídica. La inyección puede mejorarse con una presión de hasta 14 psi. A diferencia de procesos similares (light RTM), Bombardier inyecta la resina una vez que la bandeja con los elementos se ha colocado dentro del autoclave. Este moderno y enorme autoclave tiene 21,3 m de largo y 5,6 m de diámetro, lo que permite mantener la temperatura y la presión al nivel requerido para reducir la viscosidad y la humedad. La resina epoxídica Cytec 890 se inyecta a 80˚C. Una vez completada la inyección de resina, se aplica presión positiva en el autoclave para la consolidación, haciendo que todos los elementos se compacten fuertemente y expulsen el exceso de resina que se vierte en un depósito especial fuera del autoclave.

El producto final es un ala de gran resistencia, muy ligera y de muy fácil mantenimiento. Sin duda este es un proceso industrial que se convertirá en estándar para los aviones de la próxima generación.