El área del ala y el Yehudi

En este Blog ya se ha hablado largo y tendido sobre cuestiones relativas al ala de diferentes modelos de aviones. En varios artículos se han hecho análisis de varios aviones utilizando términos como relación de aspecto, envergadura, MAC, carga alar, etc. y para este post suponemos que el lector comprende lo que significan estos términos y cómo se definen.

Aunque en este Blog siempre se ha intentado que queden claras las descripciones de los conceptos básicos, no es menos cierto que a veces esto es pedir mucho. Existen infinidad de términos que a primera vista parecen sencillos, pero tienen un fondo y una definición mucho más complicada de lo que parece. Aun así, vamos a seguir intentando hacer gala del leitmotiv principal del blog en la divulgación aeronáutica y vamos a seguir hablando de cosas complejas en términos simples. Para aquellos lectores interesados y con capacidad suficiente para entender los formalismos matemáticos, les remito a que consulte los textos especializados, porque seguramente aquí no van encontrar lo que buscan.

Vamos a empezar por hablar de un tema interesante, que en principio parece sencillo, pero que en realidad tiene más enjundia de lo que parece. Nos referimos al área del ala. A simple vista puede parecer bastante claro lo que es un término simple como área de ala. Debería ser bastante sencillo lo que significa y cómo se mide, ¿no? Nada más lejos de la realidad. Este término no describe el área del ala (solo), y hay varias definiciones distintas del término y diferentes principios sobre cómo se miden.

Comencemos pues y desmitifiquemos estos términos y comprendamos de una vez cómo se usan y por qué. Empezaremos con el ala ya que esta tiene la mayoría de los términos que normalmente explicamos continuamente en este Blog. 

El área del ala es importante cuando la aeronave necesita sustentación máxima a baja velocidad, como durante el despegue y el aterrizaje. El área del ala también se usa mucho en las discusiones y fórmulas aerodinámicas. ¿Quién no ha discutido alguna vez sobre "Boeings y Airbuses" para defender que uno u otro es mejor en tal o cual característica? Pues precisamente, el área del ala es el principal parámetro de normalización para poder hacer posible la comparación de características entre aeronaves de diferentes tamaños y fabricantes.

El área del ala permite la comparación en términos de fuerza de sustentación máxima por metro cuadrado de superficie entre el Boeing 787-9 y el Airbus A350-900 por poner un ejemplo, aunque sean aparatos de diferente tamaño. Dicho parámetro, que se llama coeficiente de sustentación de despegue máximo, Clmax-to, se puede comparar entre aeronaves y así razonar por qué uno u otro tiene un valor más alto o más bajo. Será, en definitiva, una medida de lo bien que los diseñadores han podido hacer coincidir este parámetro con las necesidades individuales de la aeronave.

Área del ala

El área del ala de la que informan los fabricantes en realidad no es el área del ala, es más que eso. La razón es que sirve como referencia para normalizar la sustentación generada por el ala y el avión en su conjunto. Como se puede ver en la figura que sigue, tenemos las alas de un 787 y de un A350 que generan áreas de baja presión, pero no solo sobre el ala sino también (...y esto es muy importante) sobre el área del fuselaje entre las alas.

Lo que vemos es una comparativa de la distribución de presiones del Boeing 787 y del A350 en vuelo de crucero. Hay que tener en cuenta que el área de baja presión en el lado del fuselaje se genera porque este también contribuye a la sustentación total. Esto significa que no solo el área del ala necesita ser incluida en el área de normalización sino también el área del fuselaje del avión entre las alas. Cómo se hace esto difiere entre los fabricantes. Ahora veremos los diferentes principios de medición del área del ala y explicaremos cómo se hace y por qué.

Definición trapezoidal

En la figura que sigue de un Boeing 737-8 se puede ver lo que se considera una definición trapezoidal del área del ala de un avión. La forma tradicional de representar el área entre las alas para tener en cuenta el efecto del área de baja presión es extender las líneas del borde delantero y trasero del ala hasta que se encuentre con la línea central del fuselaje.

Esta representación del área de referencia se relaciona con el hecho de que las alas tradicionales en aeronáutica no tenían el borde posterior interno recto (se denomina Yehudi). Este borde posterior se extiende desde el punto donde se efectúa el montaje del tren de aterrizaje hasta el lado del fuselaje. Esta extensión se agregó para facilitar la integración del tren de aterrizaje en la raíz del ala de aquellos aviones de ala baja. Esta técnica se introdujo a mediados de la década de 1950. El Boeing 707 fue uno de los primeros ejemplos en montar el Yehudi. Además de alojar la pata del tren de aterrizaje, el Yehudi también aumenta la cuerda de la raíz del ala, lo que significa un aumento del MAC y permite que la anchura de la raíz aumente para el mismo grosor relativo del ala. Esto es muy útil, ya que el ala sufre precisamente los mayores esfuerzos de tensiónes en esta área, que es donde el momento de flexión de las alas es más alto. Debajo se ve lo que se conoce como wing bending debido a la diferencia entre el peso del motor y la sustentación del ala.

Definición del método Wimpress

El método Wimpress se muestra en la figura que se puede ver a continuación. Esta es la definición de área utilizada por Boeing, a la que llaman Wimpress. Boeing fue el primer fabricante en incluir un Yehudi en el 707, desde hace mucho tiempo ha trabajado en cómo mejorar la definición del área del ala.

El departamento de aerodinámica junto con el ingeniero Wimpress realizaron una definición más precisa, tal como se puede ver en la imagen de arriba. Esta definición modeló mejor el efecto del área de baja presión del fuselaje. Como se puede suponer, las áreas del ala establecidas por Boeing siguen la definición de Wimpress y son bastante diferentes de las áreas de ala que se harían con la definición trapezoidal clásica.

Definición de Airbus

El método que utiliza Airbus (particularmente es mi favorito). Se puede ver en la siguiente figura. Airbus siguió un camino más sencillo para representar el área de baja presión sobre el fuselaje y el Yehudi. Detrás conectó los puntos donde el Yehudi se encuentra con el fuselaje y en la parte delantera eliminó el triángulo del área trapezoidal clásica al unir los puntos donde el borde delantero toca el fuselaje.

Esta es una definición que si tiene en cuenta la existencia del Yehudi, pero además, sigue siendo una definición simple y fácil de medir. Se deduce de forma inmediata el área cubierta por el fuselaje, esto es, la cuerda de la raíz alar multiplicada por el ancho del fuselaje. De esta manera, se tiene el área del ala expuesta. Pero es que además, esto es muy útil porque se puede usar como parámetro para el cálculo y la posición del tanque de combustible del ala (área húmeda del ala).

En la práctica no importa cuál de los métodos se utilice siempre y cuando todos los aviones comparados sean medidos y comparados con el mismo método. Wimpress podría representar mejor la imagen obtenida de las presión sobre las alas, pero es bastante complicado de medir y generar. Así que, querido lector, no compare tan alegremente "Boeings y Airbuses", hay muchas cosas que difieren y se deberían tener en cuenta.