¿Qué parámetros se tienen en cuenta cuando se diseña un ala?

Cuando se diseña un avión se deben determinar tres parámetros básicos durante el diseño preliminar, a saber: peso máximo al despegue (MTOW); empuje del motor (T); y área de referencia del ala (Sref). El siguiente paso en el proceso es el estudio detallado. Durante esta fase de diseño detallado, se analizan los componentes principales de la aeronave, como el ala, el fuselaje, los estabilizadores horizontal y vertical, el sistema de propulsión, el tren de aterrizaje y las superficies de control. En esta fase del proceso cada componente se estudia y diseña como si fuese una entidad individual. Posteriormente, se integran como un solo sistema y se consideran sus interacciones. El ala puede considerarse como el componente más importante de un avión, ya que una aeronave de ala fija no puede volar sin ella. Dado que la geometría del ala y sus características influyen en todos los demás componentes de la aeronave, normalmente se comienza el proceso de diseño detallado con el ala.

La función principal del ala es generar suficiente fuerza de sustentación (L) como para soportar el peso del avión en las situaciones que se consideren en relación al propósito del avión. Sin embargo, el ala produce además de la sustentación otras dos fuerzas, a saber: la fuerza de resistencia aerodinámica (D) y el momento de cabeceo (M). Los equipos de ingenieros que diseñan las alas buscan siempre maximizar la sustentación, mientras que los otros dos (momento de cabeceo y resistencia) deben minimizarse. Un ala es básicamente una superficie que produce fuerza de sustentación debido a la diferencia de presión entre las superficies inferiores y superiores. Los libros de texto de aerodinámica son una buena fuente para consultar información sobre técnicas matemáticas para calcular la distribución de la presión en el ala y determinar las variables de flujo.

Existen varias  metodologías para el diseño del ala. Todas estas metodologías y principios es lo que se conoce como ingeniería de sistemas. En una primera aproximación se busca calcular los factores que limitan el ala de acuerdo con la misión a la que se va a dedicar la aeronave: actuaciones, requerimientos de estabilidad y control, requerimientos operacionales, coste de la operación, márgenes de seguridad, etc.   

Los principales requisitos de rendimiento incluyen velocidad de pérdida, velocidad máxima, carrera de despegue, alcance y máximo tiempo en vuelo. Los requisitos primarios de estabilidad y control incluyen la estabilidad estática lateral-direccional, la estabilidad dinámica lateral-direccional y la capacidad de control de la aeronave durante una posible pérdida de sustentación del ala. Durante el proceso de diseño del ala, se deben determinar inicialmente dieciocho parámetros. Son los siguientes:

1. Área de referencia del ala (o superficie) (SW o Sref o S)

2. Número de alas

3. Posición vertical con respecto al fuselaje (ala alta, media o baja)

4. Posición horizontal relativa al fuselaje.

5. Sección transversal (o perfil aerodinámico)

6. Relación de aspecto (AR)

7. Taper ratio (λ)

8. Cuerda en la punta del ala (Ct)

9. Cuerda en la raíz del ala (Cr)

10. Cuerda aerodinámica media (MAC o C)

11. Envergadura (o Span) (b)

12. Ángulo de torsión (o washout) (αt)

13. Ángulo de flecha del ala (Λ)

14. Ángulo diedro (Γ)

15. Incidencia (iw) (o ajuste del ángulo, αset)

16. Dispositivos hipersustentadores como FLAPS.

17. Alerones

18. Otros accesorios del ala

El diseño del ala comienza por lo tanto con la variable (S) o superficie, desde este punto y considerando todos los requisitos de diseño, se obtienen los otros 17 parámetros de ala. Hay otros parámetros del ala que podrían agregarse a esta lista, como por ejemplo la punta del ala, el winglet, la instalación del motor, el carenado, los generadores de vórtices y las consideraciones estructurales del ala. Estos parámetros son tratados aparte.

Tal como se puede ver en el proceso anterior, el diseño del ala implica un proceso iterativo y las selecciones/cálculos generalmente se repiten varias veces. Por ejemplo, para el Boeing 767 fueron estudiadas y diseñadas 76 alas diferentes en 1986 hasta que se finalizó con la mejor ala posible. Sin embargo, solo se diseñaron 11 alas para Boeing 787 Dreamliner en 2008. La reducción evidente en el número de iteraciones se debe en parte a los avances en el software/hardware en los últimos años, y en parte a los años de experiencia de los diseñadores de Boeing.

Hoy en día existe una gran variedad de técnicas y herramientas de software para lograr rápidamente trabajos en aerodinámica que antiguamente consumían mucho tiempo. Los métodos numéricos se han desarrollado mucho en las últimas décadas. Algunos ejemplos son el paquete de software CFD1 basado en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes, el método de red de vórtice, la teoría del perfil aerodinámico delgado y la circulación están disponibles desde hace tiempo en el mercado. La aplicación de dichos paquetes de software es costoso y requiere mucho tiempo de estudio, en una etapa inicial de diseño en realidad esto es innecesario. Es perfectamente válido empezar con un enfoque sencillo como es la Teoría del cálculo de la línea de sustentación. Usando esta teoría, uno puede determinar las tres características básicas antes comentadas del ala (L, D y M) con una precisión aceptable.