Ala alta vs ala baja

¿Alas en posición alta o alas en posición baja? El equipo de ingenieros que diseña las alas también debe decidir dónde colocarlas en el avión. ¿Deben las alas situarse bajas, altas o en medio del fuselaje? ¿Cuáles son los beneficios de la posición del ala? Estas son preguntas típicas de muchos de nuestros pilotos en los cursos que impartimos.

Los efectos de la posición del ala en cuanto a la estabilidad son en realidad pocos. En terminos generales se puede decir que un ala alta tiene algo más de estabilidad que un ala baja. Recuerdo haber encabritado mi Cessna 152 hasta hacerla entrar en pérdida con una actitud de morro arriba casi a la vertical. Una vez ahí pisé a fondo el pedal izquierdo y el avión dejó caer el morro con violencia. El aparato empezó a caer girando en una barrena pronunciada. El propósito del ejercicio era el de recibir entrenamiento en situaciones inusuales para poder recuperar el control del avión (upset recovery manoeuvres). El instructor me dijo que si no sabía sacar al aparato de la barrena era mejor no tocar los mandos y dejar que el avión saliera solo de ella. Efectivamente, en ese momento teníamos altura suficiente y el avión acabó por estabilizarse él solo. Los aviones de ala alta tipo Cessna suelen reaccionar todos de forma similar. Incluso con los Mirage F-1 que tienen el ala alta sucede algo parecido. La estabilidad natural del avión suele sacarlos de una barrena casi sin tocar los mandos de vuelo (por supuesto, siempre que se tenga altura suficiente). 

Hacer la misma maniobra con un avión tipo Piper de ala baja requiere algo más de control de vuelo para poder sacarlo de una barrena, pero son también bastante estables gracias a que tienen diedro. En las Piper de ala baja, que también volé, se notaba una gran diferencia a la hora de aterrizar debido al efecto suelo. Al tener el ala baja estos aparatos "flotaban" sobre la pista unos instantes antes de tocar con el tren. Ello era debido al aire que se comprimía entre el ala y la pista a la hora de tomar. Debajo se puede ver la comparativa entre un Embraer 145 de ala baja y un ATR 42 de ala alta. En el avión de ala alta se tiene el centro de presiones donde se genera la sustentación en posición alta. Esto le confiere mucha estabilidad. En el Embraer 145 el centro de presiones está más bajo, pero se compensa poniéndole diedro ala ala. Ambos son muy estables.

Los pilotos privados frecuentemente discuten sobre este punto en sus conversaciones. Aquellos que vuelan aviones de ala baja insisten en que la vista clara del cielo supera la falta de visibilidad hacia abajo debido al ala. Los pilotos de ala alta argumentan que la vista del suelo es más importante (sobre todo en el aterrizaje) que la vista del cielo. Aquellos pilotos que vuelan en regiones muy soleadas también aprecian el ala alta como elemento que produce sombra en la cabina. Por lo tanto, la elección de la posición del ala tiene que ver más con aspectos prácticos. Además de un ligero aumento en la estabilidad, un avión de ala alta ofrece la posibilidad de ubicar el fuselaje cerca del suelo. Los transportes militares utilizan esta configuración para que los equipos puedan cargarse y descargarse fácilmente. Un buen ejemplo el CASA CN-235.

Las alas altas también ofrecen más espacio para dispositivos de grandes dimensiones. Recuérdese el por qué de los motores achatados del Boeing 737. Cuando cambiaron los motores de este avión para equiparlo con los nuevos turbofan, Boeing se las vio y se las deseó para poder montarlos tan cerca del suelo. El resultado es el achatamiento característico que se ve en la foto.

En muchos aviones, por ejemplo, los flaps del ala pueden extenderse más abajo sin preocuparse por la interferencia del suelo. Una desventaja de las alas altas es que el tren de aterrizaje debe colocarse en el fuselaje. Esto generalmente hace que se tengan que usar carenados abultados para acomodar las ruedas, como en la foto de arriba del CN-235. Esto, claro está, crea más resistencia. En el Mirage F-1 de ala alta, por ejemplo se quiso evitar todo abultamiento innecesario para que la aerodinámica del avión fuera la mejor posible y llegar al Mach 2.2 sin penalizaciones. En ese caso se optó por retraer el tren principal hacia adelante, volteando las ruedas para encajaras en el interior del fuselaje en una complicada cinemática, que es a la vez un prodigio de ingeniería. Cualquiera que haya visto la retracción del tren del F-1 sabrá a lo que me refiero. Los aviones de ala baja hacen que la colocación del tren de aterrizaje sea mucho más simple y la cinemática mucho más sencilla.  

Los aviones de ala baja también cuentan con ciertos beneficios estructurales porque los largueros del ala (los elementos internos que soportan el ala) pueden pasar a través del fuselaje inferior debajo de la cubierta de los pasajeros. Esto tiene la ventaja de contar con una estructura continua del larguero y permite que el ala esté totalmente en voladizo sin añadir otros refuerzos.

Los aviones con alas colocadas en el medio del fuselaje generalmente se encuentran en aviones de combate o aviones acrobáticos. La posición intermedia ofrece beneficios aerodinámicos con una menos resistencia y buena visibilidad. La principal desventaja de una configuración de ala media es que el encastre ala-fuselaje ocurre en medio de la estructura que debe pasar a través del fuselaje en un punto donde se podría poner carga, pasajeros, etc.

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Debajo se puede ver a un CS300 (Airbus 220) de ala baja con diedro positivo y a un Avro RJ100 de ala alta con diedro negativo.  

En vuelo, un avión está sujeto a cuatro tipos de fuerzas. Estas fuerzas son: 

1. El peso del avión que actúa verticalmente hacia abajo
2. La resistencia, que  se opone al movimiento del avión actuando en paralela al flujo de aire relativo
3. El empuje, que actúa hacia adelante
4. La sustentación, que es la fuerza ascensional actuando verticalmente al flujo de aire relativo

Estas fuerzas deben estar en equilibrio durante el vuelo. La sustentación debe equilibrar la masa y el empuje debe equilibrar la resistencia. Las fuerzas se representan por vectores y los vectores influyen todos sobre el Centro de gravedad. 

Como se puede ver los vectores no están alineados, lo que puede dar lugar a un par de fuerzas y por lo tanto un giro sobre el Centro de Gravedad. Para que esto no ocurra los ingenieros deben compensar las fuerzas de forma que el avión sea estable. Debajo se pueden ver dos soluciones distintas igualmente válidas para que no se produzca un giro al aplicar las fuerzas.

En términos de estabilidad es casi indiferente que el ala esté arriba o debajo. De lo que se trata es  de la situación de las fuerzas y de como estas influyen en el Centro de Gravedad.