Las performances en fase de crucero (II)

En el anterior artículo sobre los fundamentos que componen el rendimiento del avión, definimos las fuerzas principales que actúan en un avión que vuela en una fase de crucero en estado estable. Decíamos que al volar en estado estacionario solo necesitamos encontrar la fuerza que crea la resistencia del avión para tener definidas todas las fuerzas importantes.

La fuerza de sustentación es igual y opuesta al peso del avión y la carga aerodinámica de la cola que necesitamos agregar a esto es relativamente pequeña. También hablamos de las dos clases de resistencia fundamentales: 

1. Resistencia independiente de la sustentación o, como a menudo lo llamamos, resistencia debido al tamaño, ya que casi todos los componentes de resistencia aquí se crecen con el tamaño del avión.
2. Resistencia debido a la sustentación o resistencia debido al peso, como lo llamamos, ya que esta resistencia aumenta con el peso cuando se vuela en condiciones estables.

Componentes detallados de la resistencia

En la figura se muestra la resistencia de un A320 (fuente: Airbus) y cómo se divide entre la resistencia debida a la sustentación y debida a otras características en las que no interviene la sustentación.

En el anterior post también dijimos que, si la resistencia es de 6000 lb, entonces el empuje del motor es opuesto e igual. Unas 3000 lb por motor cuando se vuela en un peso de crucero promedio de 43 toneladas. La resistencia debido al tamaño consume el 65% de nuestro empuje y la resistencia debido al peso del 35%.

La resistencia total explicada gráficamente

Hay muchos tipos diferentes de resistencia. Los más comunes son:

Resistencia parasita, compuesta de: 

• Resistencia de la forma (Forma Drag), que es el resultado de la resistencia aerodinámica al movimiento debido a la forma del avión,
• Resistencia por fricción del fuselaje, que se debe a la suavidad o aspereza de las superficies de la aeronave, y
• Resistencia de interferencia, que puede ocurrir donde se encuentran superficies con diferentes características (por ejemplo, el encastre del ala y el fuselaje)

Resistencia inducida, que es un efecto secundario de la producción de sustentación, y Wave Drag (resistencia de onda) que interviene cuando se forman ondas de choque cerca de la superficie del avión en vuelo transónico y supersónico. Debajo se pueden ver dos esquemas muy elaborados con todas las resistencias.

Reducción de resistencia

La resistencia es lo que se interpone en el camino de la eficiencia de un avión, por lo tanto, la búsqueda de la reducción de la resistencia es una labor continua por parte de los ingenieros. Lo que se trata de hacer es en resumen lo siguiente: 

• La resistencia debida al tamaño de la aeronave es la resistencia más importante de todas. Hoy en día se están empleando varias tecnologías para intentar reducirla. Se puede minimizar esta resistencia con un buen diseño del fuselaje, de modo que la carga útil y los componentes necesarios del sistema creen una aeronave con un área expuesta (wet) mínima. Además, se pueden emplear métodos de control avanzados para que se pueda reducir el tamaño necesario del empenaje para mantener la aeronave estable (las tecnologías Fly-By-Wire lo permiten).

• También es útil el diseño de un ala que tenga una buena envergadura y menos superficie (veremos a continuación por qué queremos una gran envergadura), esto se denomina ala de alta relación de aspecto (high aspect ratio).

• También se pueden emplear técnicas para mantener un flujo de aire suave sobre una gran parte de la aeronave (tecnología de flujo laminar, minimizar perturbaciones como antenas, aperturas, grietas, juntas, etc.). En general, este tipo de resistencia aumenta de forma casi lineal con el tamaño de la aeronave, sin embargo, hasta que no se cambie el paradigma de configuración (un cuerpo integrado avión/ala), no se podrá lograr una reducción significativa en la resistencia debida al tamaño.

 El componente que más fácilmente puede ser tratado es la resistencia debida al peso o a la resistencia inducida. Esta resistencia se puede reducir con una envergadura más amplia (real o prácticamente extendida por los dispositivos de punta de ala). La resistencia inducida se reduce doblando la envergadura o su cuadrado, por lo que extender la envergadura es una de las técnicas que vale la pena introducir. En esta área, además, es donde la tecnología moderna utiliza materiales avanzados como los materiales compuestos, el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), etc. con lo que se consiguen muy buenos resultados. Existen básicamente dos factores que limitan la extensión de la envergadura. Uno es el espacio en los aeropuertos para las puertas de embarque (Los Embraer E-Jet, por ejemplo, están clasificados como clase C con una envergadura de hasta 36 m) y el otro factor tiene que ver con las consecuencias estructurales y de peso por montar un ala larga y delgada con un perfil delgado (delgado debido a nuestra alta velocidad de crucero). Piénsese en los tanques de combustible internos y toda la complejidad derivada.

No obstante, con técnicas avanzadas de diseño transónico, se puede mantener un perfil alar más grueso y, al utilizar los nuevos materiales CFRP, el ala puede ser más larga sin que el peso se vuelva prohibitivo. Las puntas de las alas plegables inteligentes pueden utilizarse para superar los límites de clase aeroportuaria (el Boeing 777X dobla sus puntas de ala cuando está en el suelo para entrar en la clase E de aviones de una envergadura máxima de 65 m). El ala de un Boeing 737 MAX tiene una relación de aspecto de 11 (un valor alto y, por lo tanto, bueno), por lo que es un ala larga y delgada a pesar del uso de materiales clásicos. En este aparato se ha logrado este valor tan bueno en parte por la instalación de la extensión de envergadura virtual gracias a los nuevos winglets divididos que se suman a su envergadura efectiva.

La reducción de la resistencia inducida ayuda en todos los aspectos del vuelo (despegue, ascenso, crucero), por lo que los diseñadores de aviones emplean mucho tiempo y recursos en su estudio para minimizarla. Debajo se puede ver el potencial de mejora según Airbus en su modelo A320.