En busca del ala perfecta (II)
Las alas con "kink", un cambio en el ángulo (muchas lo tenían, aunque solo fuese entre una sección central recta y los paneles exteriores) hacían pasar desapercibida una característica básica de prácticamente todas las alas, a saber, el diedro.
El diedro positivo es la ligera inclinación hacia arriba de las alas, o al menos de sus paneles exteriores. Su propósito es hacer que el avión vuelva a nivel de vuelo después de una perturbación. La palabra generalmente se aplica a las alas, pero el "efecto diedro" es realmente una propiedad de todo el avión, donde el fuselaje y las superficies de la cola también juegan un papel importante y el aflechamiento del ala tiene el mismo efecto que la inclinación hacia arriba de un ala. Demasiado efecto diedro es un problema y, en consecuencia, los aviones de ala en flecha tienden a tener menos inclinación (menos diedro) que los de ala recta, a veces nada en absoluto.
Las características más prominentes de las alas a menudo parecen tener algún propósito aerodinámico sutil o profundo cuando en realidad no es así. Un buen ejemplo es el aflechamiento moderado. Las formas en planta de las alas de los aviones de 1930 a 1945 muestran una gran variedad de diseños, desde los bordes de ataque rectos y los bordes de salida en flecha (de Havilland Mosquito) hasta el diseño opuesto (Douglas DC-3, North American T-6). Ver imagen.
Las alas tipo "Hershey bar" (tabletas de chocolate Hershey) del Grumman F4F Wildcat ofrecían bondadosas características de pilotaje cuando se volaba en pérdida, algo muy importante para los jóvenes e inexpertos pilotos de la Armada que tenían que efectuar aterrizajes en portaaviones.
Por otro lado, una de las cosas que más importaban en un ala era algo bastante obvio: lo corta y ancha o lo larga y estrecha que era. La relación entre la longitud de un ala y su ancho se conoce como relación de aspecto (aspect ratio). Incluso en el siglo XIX, a partir de observaciones de aves, se comprendió que las alas de mayor envergadura y mayor relación de aspecto podían soportar una carga con menos esfuerzo (porque su resistencia inducida es menor). Por otro lado, tales alas en los aviones, a diferencia de las aves, son menos maniobrables en vuelo y más difíciles de hacer resistentes y rígidas que las cortas y anchas de menor relación de aspecto.
En consecuencia, las alas de los aviones subsónicos se clasificaron en dos categorías amplias. Las alas destinadas a aviones rápidos, maniobrables y muy expuestos a fuerzas g, como los cazas, solían ser delgadas y tener una relación de aspecto de cinco o seis. Aquellos diseñados para el transporte (bombarderos, cargueros y aviones de pasajeros) usaban relaciones de aspecto más altas, a menudo de 10 o más, y, para acomodar la estructura interna necesaria, tenían un perfil grueso.
Para poder hacer las alas resistentes en este punto, era deseable hacer tanto la raíz como la punta más gruesas, así como reducir la cantidad de sustentación que se producía lejos de la raíz. Por lo tanto, las alas del monoplano casi siempre se fueron estrechando tanto en anchura como en grosor.
La desventaja era que los aviones con alas muy ahusadas eran propensos a alabear violentamente cuando entraban en pérdida. Para evitarlo, las alas se podían retorcer (twist) algunos grados para intentar retrasar la pérdida de la punta de plano, pero el retorcimiento en cuestión aumentaba la resistencia. Hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, las relaciones de aspecto extremas cayeron en desuso y se generalizó una relación de aspecto de cuerdas de punta a un tercio o a la mitad de la cuerda en la raíz.
Antes de que apareciera en la guerra la distitiva ala de gaviota invertida en el F4U, existió un diseño igual en el Blohm & Voss Ha 139, un hidroavión lanzado por catapulta que transportaba correo entre África occidental y Brasil a fines de la década de 1930.
Aunque se llegó a muchas de las características básicas de las alas por ensayo y error, no faltó la investigación pura. Todas las grandes naciones que habían construido aeroplanos tenían instituciones y centros de investigación aeronáutica patrocinados por el gobierno: Farnborough en Inglaterra, Meudon en Francia, Kuchino en Rusia y, en los Estados Unidos, el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, creado por el Congreso en 1915 y con sede en Hampton, Virginia.
De sus túneles de viento surgieron muchos de los descubrimientos fundamentales que dieron forma a los aviones. Una característica discreta pero importante de cada ala era su perfil, o sección aerodinámica. Los centros nacionales de investigación aeronáutica de Francia, Alemania, Inglaterra y los Estados Unidos habían recopilado familias de perfiles aeronáuticos adaptados a aviones de distintas velocidades y cargas de ala.
La mayoría de estas superficies aerodinámicas se habían creado utilizando procedimientos matemáticos abstractos que no estaban relacionados con la física de fluidos, sino que simplemente producían formas suaves que estaban redondeadas en un extremo y puntiagudas en el otro. Las características aerodinámicas de esas formas se midieron más tarde mediante pruebas en los túneles de viento, y los diseñadores seleccionaban las más adecuadas de sus catálogos.
El ala suave y ahusada del Fokker D.VIII de 1918 no habría parecido nada fuera de lugar en un caza de la década de 1940.
Gran parte del trabajo fundamental sobre la teoría del perfil aerodinámico se debió al científico alemán Max Munk, quien había sido contratado en el laboratorio de Langley de la NACA como asesor técnico en 1920 y que, finalmente, acabó siendo jefe de aerodinámica. Munk, a quien una historia oficial describe como "un mago de la aerodinámica y un terrible charlatán al mismo tiempo", demostró ser una persona difícil con la que trabajar y estar a sus órdenes. Era dictatorial, rígido, obsesionado con la jerarquía, insensible con la gente y, debido a un dominio incompleto del inglés, a veces incomprensible.
Los ingenieros de Langley hicieron circular historias ridículas sobre cómo Munk, que aprendió a conducir después de llegar a los Estados Unidos, calibraba sus giros por medio de un dispositivo parecido a un transportador colocado en el volante. En 1927, después de que los jefes de sección de Langley manifestaran su disgusto con él al dimitir en masa, Munk fue destituido de su cargo.
La marcha de Munk fue vista como el momento en que el control de la agenda de la NACA pasó de los científicos a los ingenieros. En adelante, los esfuerzos de investigación se dirigieron principalmente a problemas prácticos, a menudo propuestos en mesas redondas con fabricantes. Este énfasis en la tecnología más que en la ciencia rindió frutos de muchas maneras, pero también puede haber explicado el hecho, revelado después del final de la guerra, de que Alemania estaba por delante de los Aliados en ciencia aeronáutica pura.
Sin embargo, la ciencia pura no estaba muerta en la NACA y, en ocasiones, los estadounidenses se acercaron a los alemanes. A finales de la década de 1930, el aerodinámico Eastman Jacobs de la NACA desarrolló un sistema para diseñar perfiles aerodinámicos con el fin de producir un conjunto de características deseadas. Su primer gran éxito fue el llamado perfil aerodinámico de "flujo laminar" utilizado en el P-51 Mustang.
En teoría, mantener el flujo de aire sobre un ala laminar, es decir, suave y libre de turbulencias incluso a muy pequeña escala, podría reducir a la mitad la resistencia. En la práctica, al igual que la forma en planta elíptica, los perfiles laminares no entregaron todo lo que prometieron porque las alas fabricadas nunca tuvieron la suavidad superficial que requería el flujo laminar. Seguía siendo una cuestión de orgullo personal y una discusión interminable entre los hombres que habían trabajado en el Mustang si el ala de flujo laminar o el sistema de enfriamiento llamado “efecto Meredith” era más responsable de su rapidez.
Todos murieron antes de que se pudiese resolver la cuestión. Las características básicas de las alas subsónicas modernas, incluidas las de todos los aviones de la Segunda Guerra Mundial, aparecieron temprano en la historia de la aviación. El ala de madera del Fokker D.VIII de 1918 tenía una relación de aspecto moderada, seis, una sección aerodinámica relativamente gruesa, alerones encastrados y una estructura en voladizo libre de arriostramiento. Aunque el ala se produjo mucho más cerca del tiempo de los hermanos Wright que de la Segunda Guerra Mundial, era tan avanzada que no habría sido vista como algo raro en casa en un caza de la década de 1940.
El fracaso de los fabricantes y los servicios militares para apreciar el ala Fokker y abrazar el monoplano inmediatamente después de la Primera Guerra Mundial expone una tensión persistente de conservadurismo y timidez en el diseño de aviones. Debido a que había tanta incertidumbre sobre qué ideas eran buenas y cuáles malas, los fabricantes recurrieron una y otra vez a las probadas y comprobadas.
La forma elíptica del ala del Spitfire no llegó a la de Havilland DH.98, que tenía alas rectas y con puntas muy estrechas. Su timón de dirección elíptico, por otro lado, era una marca registrada de Havilland.
En los aviones reales, cualquier cosa influye en todo lo demás, las pruebas y tests precisos son complicados, y los efectos de pequeños cambios incrementales suelen ser demasiado sutiles como para poder ser medidos. A veces, dos modificaciones aparentemente beneficiosas se anulan entre sí. La camaradería natural y la movilidad de los técnicos en aerodinámica hizo que se difundiera información detallada sobre ingeniería por todo el mundo; pero al mismo tiempo, las sutilezas del diseño conceptual tendían a evaporarse por culpa de la desaparición de los ingenieros y el olvido institucional. Los rumores, los ideales incomprendidos y el optimismo prematuro probablemente tuvieron tanto efecto en el progreso aeronáutico como lo hizo la ciencia pura y dura.
La variedad de formas que podemos ver en los aviones a lo largo de la historia nos dice algo. Es mejor ver la historia de las formas de estos aviones como un proceso darwiniano, con diseños exitosos que eventualmente desplazan a los menos exitosos en un proceso lleno de retrocesos y comienzos en falso, que como la búsqueda sistemática de un ideal científico. Desde esta perspectiva, la pregunta interesante no es si el diseño de un determinado avión de Heinkel influyó en el de un determinado Supermarine, sino por qué, si la forma elíptica es tan fenomenal, la han utilizado tan pocos aviones.
Desafortunadamente, la mayoría de los diseñadores de aeronave no nos dejaron relatos detallados de cómo tomaron sus decisiones y de cuáles se arrepintieron más tarde o de las que se sintieron orgullosos. De hecho, diferentes personas que trabajan en el mismo avión pueden dar explicaciones contradictorias sobre las razones de sus características. Como resultado, a menudo nos vemos forzados a adivinar por qué las alas, y los aviones enteros, tienen la forma que tienen.
Cada avión es una colisión entre lo ideal y lo práctico. En contraposición al ideal ha estado la obstinación de los materiales de construcción; la necesidad de acomodar pasajeros y carga; el requisito del tren de aterrizaje; y la complicada e incómoda necesidad de propulsión, con sus consiguientes demandas de distancia al suelo, refrigeración, facilidad de servicio, etc. El desafío para los fabricantes era combinar las formas ideales del laboratorio con los requerimientos prácticos del transporte civil y aviación militar. La marca de un gran diseñador aeronáutico siempre ha sido la habilidad y capacidad, no tanto de llevar una característica al extremo, sino de combinar una serie de elementos en conflicto y hacerlo trabajar como un todo armonioso. Nunca hubo una sola solución para el rompecabezas: si hubiera existido, habría habido, al final, un solo avión perfecto.
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Previo al ala perfecta, estaban las 4 alas que no importaba que fueran perfectas, las de los biplanos. Algunos de los modelos más producidos en la SGM (ej. el F4F) fueron una evolución de o en origen diseñados como biplanos.
ResponderEliminarHola querido lector, efectivamente hubo una gran cantidad de diseños desde el comienzo de la aviación.
EliminarLa idea del post es que el ala perfecta no existe. Eso es lo que se desprende de su lectura.
Hubo muchos aviones biplamnos que fueron convertidos en monoplanos. En un post anterior hablo precisamente de uno que desechaba el ala en vuelo. Hay otros de los que ya hablaré que eran biplanos, pero podían convertirse en monoplanos por medio de un mecanismo, como el Nikitin-Shevchenko IS-Series y otros como el Parnall Pixie, que era un avión ligero monoplano británico de baja potencia. Tenía dos juegos de alas, uno para vuelos de travesía y otro para velocidad; más tarde apareció como un biplano que podía convertirse en un monoplano... en fin hay de todo :)
Un cordial saludo
Manolo