Belleza, forma y función de la planta alar

La forma del ala y su posición es una de las características de los aviones que más me han llamado la atención. Este atributo no solo influye en el rendimiento, es también importante en cuestiones de estética. Cuando decimos que tal o cual avión es bonito, es entre otras cosas, porque sus proporciones entre el ala y el fuselaje son agradables a la vista. Ver artículo dedicado a los aviones más hermosos de la historia. Hablando con un compañero el otro día sobre estas cuestiones me preguntaba a la hora del café: "Manolo, ¿sabrías decirme a simple vista si un avión es rápido?" Mi contestación le satisfizo sobremanera porque ambos tenemos la misma idea. "Un avión es rápido si parece rápido" le contesté. Los dos esbozamos una sonrisa, pues aunque la contestación es de perogrullo, sabíamos a lo que nos referíamos. Estamos hablando de la belleza aeronáutica que lleva aparejadas grandes prestaciones.

El ala (para mi gusto) más bonita de la IGM es la del Fokker D. VIII, el avión que obtuvo el último derribo de la contienda. Se trata de un ala de 8,34 metros de envergadura y 10,7 metros cuadrados. La planta alar es una auténtica maravilla. Esta planta estaba muy adelantada a su tiempo. Podría ser muy bien de alguno de los cazas de la IIGM en los años 40, pero sin embargo equipaba a este avión del año 1918.  Una auténtica hermosura que podría haber dado mejor rendimiento si fuera encastrada en el fuselaje en vez de la configuración parasol. 

El ala parasol

Esta configuración de ala era típica del periodo entre guerras, cuando se hizo el paso del biplano al monoplano, pero se emplea muy poco hoy en día. Generalmente se puede ver en algunos ultraligeros y aviones anfibios. Las características de este ala son similares a las de la configuración de ala alta, aunque genera más resistencia que esta por estar sujeta con estructuras como las de los biplanos. en realidad un avión con ala parasol es esencialmente un biplano sin las alas inferiores. El ala parasol no está unida directamente al fuselaje, sino que se sostiene sobre  él por medio de brazos o estructuras de soporte. En comparación con un biplano, un ala de parasol tiene menos refuerzo y menor resistencia parásita; pero en comparación con un ala alta, hay mucha más resistencia adicional por las estructuras de soporte. El ala parasol hoy en día es obsoleta si lo que queremos son prestaciones.

El ala elíptica fue otro diseño bonito que tuvo mucho éxito. Alguien podría pensar que si combináramos ambos conceptos podríamos obtener algo bonito y eficaz, pero no siempre es así. Es como decir que la fabada asturiana está muy rica y que también nos encanta el helado. Combinar ambos podría ser delicioso... o no. Por cierto el helado de fabada existe y es algo parecido a combinar de esta manera las dos alas antes comentadas "elíptica + parasol": ¡Que horror! ...por si alguien está interesado en este adefesio, es el EW-555AO de una factoría de Bielorrusia. Más fotos de alas circulares horrorosas: https://sfw.so/1149043937-ohvachennye-krylom.html

Planta alar elíptica tradicional versus recta

Debajo se pueden ver dos de los cazas con mejor rendimiento de la Segunda Guerra Mundial, un P-51 y un Supermarine Spitfire. Tenían alas y estabilizadores horizontales con formas muy diferentes, pero ambos eran bonitos. ¿Cuál de las dos alas era mejor? La respuesta no es tan clara como mucha gente piensa.

La forma del ala, como ya se ha comentado, es un  parámetro de gran importancia cuando se diseña un avión. Durante la IIGM se vio que los dos cazas más efectivos de la contienda tenían diferentes configuraciones. Los "Spits" se hicieron mundialmente conocidos debido a su peculiar planta elíptica. En realidad, este ala no fue una idea totalmente original de los británicos. Las bondades del ala elíptica ya se conocían desde los primeros años del siglo XX. Incluso en el periodo entre guerras los ingenieros británicos habían felicitado a sus colegas alemanes por los logros en aerodinámica con su famoso He-70 Blitz con su ala elíptica que había efectuado su primer vuelo en 1932 y había conseguido varios premios en competiciones de velocidad. Esta es una de las razones que se esgrime cuando se defiende que el ala del Spitfire no fue una idea original británica.

La mayor virtud del ala elíptica era que, al menos en teoría, generaba la menor resistencia inducida posible. La resistencia inducida es aquella que se genera debido precisamente a la producción de sustentación. De ahí viene el nombre de inducida. La resistencia llamada parásita es la que se genera por la fricción del fuselaje y cualquier otro aditamento que sobresalga o que no ajuste perfectamente, como radiadores, carenados, antenas, armas, aperturas o tomas de aire, etc. Parte de esta resistencia parásita viene dada también por los remolinos que la aeronave crea a su paso. La resistencia inducida aumenta a medida que el avión disminuye la velocidad y el ángulo de ataque aumenta. Por ese motivo el ala elíptica da al avión una muy buena velocidad de ascenso y gran maniobrabilidad con alto número de G's. La resistencia parásita, por otro lado, afecta a la velocidad máxima del avión.

Debajo se puede ver una comparación de la planta alar. El ala elíptica (verde) mantienen la misma cantidad de sustentación desde la raíz a la punta (Root - tip).

El ala aflechada

La idea de aflechar un ala para reducir el inicio de los efectos de compresibilidad y retrasar la formación de ondas de choque se le ocurrió a un científico alemán llamado Adolf Busemann. El Dr Busemann presentó sus hallazgos en la Conferencia de Volta en Italia en 1935. En ella, describió cómo las propiedades aerodinámicas de el ala están dominadas por el componente del flujo de aire normal (perpendicular) al borde de ataque de la sección del ala y no por la velocidad de la corriente libre (eje longitudinal del avión). Por lo tanto, postuló, al aflechar el ala hacia atrás, se podría reducir la componente de velocidad sobre el ala, lo que retrasaría la formación de ondas de choque a alta velocidad, ya que el ala vería una velocidad efectiva menor que la velocidad real de la corriente libre.

Debajo se pueden ver unas cuantas alas delta bonitas de aviones rápidos (menos la 1) muy conocidos, (la número 6 en realidad no es delta, pero es bonita). ¿Sabría el lector a que aviones pertenecen?

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1.- Avro Vulcan (900 Km/h a 45.000 pies)

2.- Mirage 2000 (Mach 2.2)
3.- Concorde (Mach 2.23)
4.-Saab J-35 Draken (Mach 2.0+)
5.- SR-71 (Mach 3.2+)
6.- A5 Vigilante (mach 2.0)
7.- B-70 Valkyrie (Mach 3)
8.- MiG 21 (Mach 2.05)

El avión a su paso va acumulando molécula de aire y cuando se acerca al Mach 1.0 se forma una onda de choque tridimensional en forma de cono en la proa del avión. Se suele denominar "cono del Mach", y se extiende hacia atrás desde el morro. En el diagrama que sigue se puede ver como este cono se vuelve cada vez más hacia atrás (es un cono más estrecho) y se debe de evitar que interfiera con las alas. El aflechamiento hace que el ala vuele en aire subsónico en su mayor parte. Esta es una de las muchas razones por las que los aviones rápidos tienen alas aflechadas. Cuanto más rápido es el avión, más aflechamiento. Debajo se puede ver una comparativa entre el F-100 con 45° y el English Electric Lightning con 60° (30° desde la línea longitudinal de la aeronave).

No siempre el aflechamiento es la solución óptima. Un ala delta como las que se muestran más arriba tiene la ventaja de poseer un ángulo de aflechamiento grande y además un área o superficie mayor que alas alas en flecha. Esto ayuda a compensar en parte la pérdida de sustentación que generalmente se experimenta en las alas en flecha. Con números de Mach supersónicos aún mucho más altos, existe la posibilidad de que el cono de Mach pueda acercarse al borde delantero del ala, incluso aunque el ala delta tenga un alto aflechamiento. Esta condición hace que la resistencia total aumente rápidamente y, de hecho, se prefiere a veces un ala recta (sin aflechamiento). Ver debajo el caso del F-104 (el misil con alas).

Si el ala del avión se diseña de tal forma que no toca nunca el cono, entonces se dice que el ala tiene un borde de ataque subsónico. Si el ala del avión entra dentro y a veces puede llegar a tocar el cono creado por la onda de choque supersónica, entonces se diseña para que tenga un borde de ataque supersónico. 

Si el borde de ataque es supersónico, se  crea también en esta parte una gran onda de choque que puede llegar a crear gran resistencia al avance y dificulta el funcionamiento normal del ala. Si el borde de ataque es subsónico y el ala está bien diseñada, la interacción entre la parte superior e inferior del ala se comporta como si esta se moviese en un flujo subsónico aunque la corriente de aire libre sea supersónica. La Figura que sigue muestra cualitativamente la ventaja en términos de resistencia de un ala recta sobre una con aflechamiento o delta cuando se vuela en números de Mach altos.

El aflechamiento se utiliza principalmente con el fin de minimizar la resistencia producida por las ondas transónicas y supersónicas. Sin embargo, en los números de Mach subsónicos, las desventajas son mayores que las ventajas. En estos casos existe una alta resistencia inducida (debida a la pequeña envergadura del ala o baja relación de aspecto), altos ángulos de ataque para una sustentación máxima y una menor eficiencia de los flaps. El avión de ala recta en cambio no tiene estas desventajas. Cuando se considera un avión diseñado para ser multimisión, por ejemplo, un avión que necesite tener crucero subsónico y supersónico, sería ventajoso combinar un diseño de ala recta y ala con flecha. Esta es la lógica del ala de geometría variable. La Figura que sigue muestra la relación (L/D)máx, que es una medida de la eficiencia aerodinámica, representada en función del número de Mach para un avión de ala recta y de aflechamiento óptimo. Aunque no es necesariamente igual a las configuraciones óptimas en sus respectivos regímenes de velocidad, es evidente que un avión con capacidad de variar el ala puede desempeñar un papel multimisión, en todo el régimen de velocidad, donde no llegan los otros aviones por separado. Uno de los principales inconvenientes del avión de ala con geometría variable es el peso y la complejidad añadida de los mecanismos para hacer que el ala pueda cambiar su ángulo de aflechamiento.
 

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