Alas diseñadas para volar rápido, económico y confortable

Las alas de los modernos aviones comerciales se diseñan teniendo en mente unas velocidades realmente altas. En los aviones de la familia E-Jet por ejemplo, la velocidad máxima es de Mach 0.82, aunque la mejor velocidad de este aparato en la que obtiene las actuaciones punteras es de 0.78. Es una velocidad bastante alta, pues supone volar al 78% de la velocidad del sonido. Para ello los ingenieros diseñan alas relativamente delgadas, con un combado mínimo y en flecha progresiva. Lo que se pretende conseguir siempre en los aviones comerciales es ir lo más rápido y económico posible en velocidad, configuración y altura de crucero. Pero en aerodinámica no hay nada gratis, lo que se gana por un lado se pierde por otro.

La contrapartida del vuelo rápido está en los requerimientos del aeropuerto donde se pretende operar. Las pistas de despegue y aterrizaje no son todo lo largas que podamos desear. Existen muchas constricciones que hacen del destino un aterrizaje complicado al requerir a veces ángulos de aproximación muy grandes y velocidades muy bajas debido a la corta longitud de la pista. En los despegues se debe de considerar la orografía y el gradiente de ascenso, la longitud de la pista, la cantidad de viento en cola aceptable y muchos otros factores. Para que el ala funcione bien en estas condiciones y a bajas velocidades se deben de aceptar ciertos compromisos y hacer ciertas modificaciones en el diseño. Una de las más típicas es la adición de elementos hipersustentadores, como los flaps y los slats. Con estas modificaciones el aparato podrá operar en pistas pequeñas o poco preparadas. Ese fue uno de los secretos del ala del Boeing 727, tal como se cuenta en el post dedicado a este aparato. En las alas modernas existen muchas áreas en las que los ingenieros pueden desarrollar su trabajo, pero a la hora de hacer un ala rápida los tres parámetros más importantes en términos generales serían la flecha, la curvatura y el espesor.


¿Como puede un ala en flecha incrementar el número de Mach crítico (Mcrit)?


El ala en flecha incrementa el Mcrit porque, para una velocidad Mach determinada, esta reacciona solo al componente normal del aire que fluye en el "vector normal" del borde de ataque ala. El vector normal es el que va de A a C en el dibujo (el vector de color verde). Normal en este contexto significa perpendicular al borde de ataque. Este vector (AC) perpendicular es más corto que el aire que fluye formando el vector (AB) a lo largo de la cuerda del ala. 

El ala solo responde al flujo de aire (AC) aunque el vector velocidad del avión avance en sentido opuesto al vector (AB). La velocidad más alta en (AB) que en (AC) no es un problema, pues el exceso no es "sentido" por el ala. El ala solo reacciona a la normal, no al aire que fluye a lo largo de la cuerda. En realidad lo que estamos haciendo es engañar al ala y "hacerle creer" que en realidad vuela más lento. Solo con la velocidad (AC) Ello supone un incremento de velocidad del avión antes de que el ala llegue a alcanzar realmente el Mcrit o velocidad sónica en la componente de la cuerda del ala. 

Desplazando el ala hacia atrás, en un ángulo "s", aunque el aire avance hacia el aeroplano con una velocidad v, obtendremos un flujo efectivo sobre el ala menor que v. El vector velocidad es la suma de los dos componentes perpendiculares, una velocidad de flujo v seno de s se dirige a lo largo del ala y una velocidad de flujo v cos s se dirige perpendicular a ella. Ambas son menores que v, dado que ambas (sen s) y (cos s) son siempre menores que 1. Solamente el flujo perpendicular v cos s tiene efecto sobre el ala. El funcionamiento del ala depende solo de lo cerca que se encuentre de la velocidad del sonido esa componente perpendicular. Este desplazamiento en flecha permite al avión volar un poco más cerca de la velocidad del sonido, sin que ocurran fenómenos asociados
Las ventajas de esta configuración son claras, el avión podrá volar más rápido en crucero, maximizando la velocidad Mach que los motores puedan proporcionar. El ala en flecha permite volar en las cercanías de la velocidad del sonido sin crear ondas de choque que disturben el ala y hagan perder sustentación. Al estar diseñada con poco espesor y mínima curvatura se obtiene además un perfil muy aerodinámico con poca resistencia al avance. Esto también facilita las velocidades altas del avión.

Las desventajas de esta configuración residen primordialmente en unas pobres actuaciones a bajas velocidades. El ala en flecha genera menos sustentación y por ello debe de volar más rápido (gran inconveniente en las aproximaciones, donde se requiere volar lento). La velocidad de pérdida también es mayor. Pero por otra parte esta pérdida de sustentación produce un efecto beneficioso y es que un avión con ala en flecha es más estable en turbulencias que uno de ala recta. Al producir menos sustentación, un ala en flecha, es menos sensible y no responde tanto como el ala recta a las corrientes ascensionales, por ello el efecto de volar en aire turbulento es menos desagradable. 

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Comentarios

  1. Hola Manolo.
    Muy interesante, como siempre. Una pregunta al respecto, ¿por qué los aviones modernos tienen menos flecha que los de antes? Especialmente si comparamos un A330-340 con un 747.
    Gracias y un saludo.
    Carlos

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    Respuestas
    1. Hola Carlos, gracias por tu comentario. ¡Uff! vaya pregunta más buena y difícil de contestar. Podría dar para varios post. A ver si puedo decir algo sobre el tema sin enrollarme mucho. Efectivamente los Boeing solían ser bastante aflechados. El famoso 707 por ejemplo tenía un ángulo de 35º, que era una enormidad y le confería unas características no muy buenas en cuanto al Dutch Roll, por ello desarrollaron el sistema Yaw Damper o compensación de guiñada que ya traté en otro post. Con en el 747 Boeing se superó y le puso incluso más flecha que al 707. Se diseñó un ala con 37,5º que le confiere un aspecto inconfundible. Hay que tener en cuenta muchas cosas para diseñar un ala, pero hay ciertos parámetros que vienen impuestos por el tipo de aparato. Es un hecho físico, que cuanto más pesado es un avión, más rápido debe de volar si está dotado de un ala de unas dimensiones aceptables. Volar rápido es esencial porque la velocidad de pérdida aumenta de forma directamente proporcional con respecto a la masa de la aeronave. Volar rápido también quiere decir estar cerca del Mach y estar cerca del Mach requiere alas en flecha. Si echas un vistazo a los datos, verás que los aviones ligeros con flechas de unos 23º a 25º vuelan casi todos en el orden del Mach 0,82 como mucho. Nuestro E-Jet, como la mayoría, es capaz de alcanzar esa velocidad, pero en realidad donde mejor se encuentra es en el Mach 0,78 que es una velocidad de crucero muy buena en términos de perfermonace y consumo para trayectos de corto radio. Aunque pueda parece en un principio poco aumentar la velocidad en 0,01 Mach en un avión comercial es en realidad un gran incremento porque afecta a muchos otros factores. Siguiendo este razonamiento podríamos decir que el 747 es tan pesado que debería de volar muy rápido y efectivamente esto es así. El 747 es capaz de volar Mach 0,88 sostenido que es una auténtica barbaridad. En vuelos de largo recorrido, como cuando se cruza el Atlántico y no hay radar, es fundamental mantener una velocidad Mach constante. Esto se puede leer en el post que hice sobre el Mach number technique. En esas condiciones cruzar rápido durante varias horas puede suponer media hora de adelanto al llegar a destino comparado con otros aviones que crucen a 0,82. El A330 también es un avión muy rápido. Recuerdo que en el simulador casi siempre me pasaba que llegaba al aeropuerto destino y por lo general me encontraba muy alto y muy rápido. Algo totalmente indeseable para un piloto que se precie jajaja. Pero esto era debido a mi poca experiencia con aviones de gran tonelaje. En estos aviones se nota mucho el gran momento de inercia (masa por velocidad). El A330 es un avión muy aerodinámico y aún con menos flecha que el 747 consigue altas velocidades de crucero en, parte por su menor drag y en parte también porque es muy pesado y debe de ir muy deprisa. Recuerdo que cuando Boeing lanzó el 787 en 2004 la prensa dijo que iba acabar con el A330 enseguida. La realidad ha demostrado que esto no fue así. Los retoques sufridos en este modelo han hecho que mejore con el tiempo, así, el A330-200 ha incrementado su peso máximo al despegue en un 3,5% y el alcance se aumentó en un 8,7%. El A330-300 ha mejorado mucho más, un 10, 95% de incremento en el peso máximo al despegue y un incremento en el radio de nada menos que 43,7%, alcanzando los 11.655 km. Esto se ha conseguido en parte gracias al rediseño del ala. En 1987 Airbus aseguró que el ala del A330 era un 40% más eficiente que la del A300B4, de la que derivaba. Increíble pero cierto. Sigo debajo...

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    2. Solo para darte una idea de lo que este ala con 30º de aflechamiento puede levantar: el avión puede despegar con 240 toneladas de peso. La superficie del ala es de 361,6 metros cuadrados y es capaz de mantener Mach 0,86. Haz los cálculos y verás. Si la masa del avión son 240 toneladas, y la superficie 361,6 metros cuadrados, significa que la sustentación que crea el ala en vuelo de crucero es igual al peso del avión. F=w=mg= 24 x 10^4 x 9,81 = 2.354.400 Newtons. Ahora, si divides esta sustentación por la superficie del ala obtienes la diferencia de presión que crea el ala entre la parte de debajo y la parte de arriba. Delta P = F/A, esto es 2.354.400/361,6 = 6.511 Pascales. Puedes hacer lo mismo con el ala del 747 y otros aviones y verás que todas son increíblemente poderosas. Cada una basada en criterios diferentes pero pensando en los mismos objetivos. Buff! No quería enrollarme y no se si he ayudado a aclarar un poco tu duda.
      Un cordial saludo
      Manolo

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  2. Hola Manolo.
    Entiendo lo que explicas, sin embargo el 380 tambien es muy pesado y no tiene la flecha del 747. Por lo que cuentas,deduzco que no se hacen tan rapidos ahora porque prima el consumo sobre el tiempo y al no ser tan rapidos no se requiere tanta flecha ¿es asi?.
    Un saludo y gracias

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  3. ¿Puede ser tambien por que se han mejorado los perfiles, se han optimizado, y pueden volar "un poquito mas lento"?

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    1. Es siempre una combinación de cosas. Los ingenieros tienen en cuenta el confort, el consumo, la velocidad y muchas cosas más. Por ejemplo, se llegó a decir que el aflechamiento tan pronunciado del 747 se había pensado además de lo anterior también para que el aparato entrara en los hangares de mantenimiento. Esto es algo que a mi me suena más a mito que a realidad, pero en fin.
      Saludos
      Manolo

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