Buenas a todos, esta vez traigo algo diferente, va a ser el comienzo de una serie de posts titulados: "¡Al detalle!" donde explicaré el funcionamiento de ciertas partes de un avión, curiosidades o historia que descubra. Resalto que esto lo hago para mí, ya que yo no soy ningún experto en aeronáutica y ni si quiera piloto (por ahora), por lo tanto todo esto lo hago desde mi curiosidad para investigar, profundizar y aprender estos conceptos. Se trata de un trabajo personal que voy a compartir con vosotros, en el que recojo información de distintas fuentes para elaborarme mis propios apuntes. No quiero que se conviertan en nada pesado, entrando en temas complejos de física o aeronáutica por lo que trataré de sintetizarlos para que podáis entenderlos, incluso si no sabíais nada al respecto antes de leer esto. Sin más dilación comienza mi primera entrada de esta nueva serie:
EL ALA DE UN AVIÓN ¡AL DETALLE!
Concepto: Se denomina ala a un cuerpo aerodinámico formado por una estructura muy fuerte estructuralmente, compuesta por un perfil aerodinámico o perfil alar envolviendo a uno o más largueros y que es capaz de generar una diferencia de presiones entre su cara superior (extradós) y su cara inferior (intradós) al desplazarse por el aire lo que produce la fuerza ascendente de sustentación que mantiene al avión en vuelo.
1. Funciones del ala:
-Primarias: (para todas las aeronaves)
- Dar sustentación.
- Proveer controlabilidad a la aeronave
-Secundarias: (funciones exclusivas de ciertas aeronaves)
- Aumentar la capacidad de sustentabilidad con dispositivos hipersustentadores para situaciones de aterrizaje o despegue.
- Alojar el combustible o sujetar tanques externos (generalmente en casos militares)
- Sujetar los motores.
- Luces y señalización.
- Soporte de armamento (en casos militares)
- Alojar el tren de aterrizaje.
2. La sustentación y el ala:
Vamos a incluir este punto a modo aclaratoria para los más rezagados en el tema. Como funciona la sustentación en el ala, una vez visto este tema ya podemos seguir con los siguientes y entederlos mejor, aun así esto no deja de ser una explicación muy light ya que como expliqué al comienzo no quiero enrollarme con teorías físicas.
¿Que es esto de la sustentación?
Cuando un ala se mueve en el aire aparece una fuerza denominada empuje
que "tira" hacia arriba del ala. Esta fuerza ascendente es el resultado
de las diferencias de presión producidas por las variaciones
que la velocidad del aire que sufre en las distintas caras
del ala. Estas modificaciones de velocidad son el resultado de la forma
del ala y de la inclinación con la que el se enfrenta a la corriente de
aire (ángulo de ataque o borde de ataque del ala).
En este gráfico de velocidad se muestra cómo se mueve el aire en diferentes zonas
próximas al ala. Cuando el ala avanza, el aire que se desplaza por la
parte superior es obligado a moverse mucho más rápido
que el aire que viaja por la parte inferior, el cual es frenado.
Al moverse, el ala no sólo produce una modificación de la velocidad del
aire, sino que también altera la dirección de avance del aire,
produciendo una corriente de aire hacia abajo.
En este otro gráfico se ve como las modificaciones de la velocidad del aire van acompañadas de cambios en la presión que vuelven a generar sustentación permitiendo el vuelo de nuestra aeronave:
A: Sobre el ala el aire es acelerado creando una caída de presión.
B: Bajo el ala el aire es frenado creando un aumento de la presión.
C: Sustentación.
D: Resistencia.
3.PARTES MÓVILES DEL ALA
3. 1. ALERONES (Ailerons)
Se encuentran situados en el borde trasero de ambas alas, cerca de las
puntas. Su función es inclinar el avión en torno a su eje longitudinal "X" a través de un movimiento conocido como alabeo (ROLL). Los alerones se mueven en sentido opuesto, es decir, cuando uno sube el otro baja.
Estos alerones, junto con el timón de profundidad,
están controlados a través de los "cuernos" que es como el volante de
un coche o en otros casos se controlan a través de una palanca vertical .
Una sencilla explicación para esto sería que cuando un alerón baja hace que ese lado del ala gane sustentación y por lo tanto sube mientras al mismo tiempo en el lado opuesto un alerón sube cortando la sustentación o ganando presión en la parte superior (extradós) con la consecuente reacción de que baje este lado y mediante esta comibinación es con la que podemos inclinar el avión sobre si mismo.
Como va de la mano vamos a provechar para ver como funcionan los cambios de dirección en la cola de un avión.
En la cola del avión encontramos dos cambios de dirección, el giro mediante timon de dirección (YAW o RUD) y profundidad (PITCH) que ocasionan los movimientos conocidos como guiñada y cabeceo respectivamente.
En el giro con el timón de profundidad puede parecer fácil pero es una maniobra compleja ya que para girar un avión de una forma eficiente y correcta no nos basta con usar este timón si no que necesitaremos también la ayuda de los alerones, timón de profundidad además
del control de potencia pues la aeronave puede tender a caer.
Como vemos en la imagen una embarcación puede virar mediante un timón
debido a que al cambiar la dirección a la cual apunta la nave, esto produce
que el flujo de agua incida de forma cruzada contra el casco, creando una fuerza lateral
que cambia la dirección de la embarcación. Lo mismo podría ser
aplicable a un avión: si mantiene las alas niveladas y pisa por ejemplo el
pedal derecho, el avión guiña a estribor, el aire incide sobre el lado
izquierdo del fuselaje y crea una fuerza lateral que empuja al avión y lo hace
girar. Adicionalmente el componente horizontal del sistema propulsor contribuye al
giro pero al contrario que en la embarcación, la fuerza lateral que el aire ejerce
sobre el avión es tan pequeña que girar de esta manera es altamente
ineficiente, por lo cual un giro se realiza alabeando el avión.
Para el cabeceo utilizamos los timones situados en la cola, con este movimiento conseguimos levantar, mantener o bajar el morro del avión. Las explicaciones básicas de porque se producen estos movientos son iguales que la de los alerones en las alas, por ejemplo para bajar el morro del avión como ilustra esta foto el alerón baja ganando sustentación en la cola, esta sube y por lo tanto el morro queda apuntando hacia el suelo. Esto se aplica igual al timón de dirección.
3. 2. HIPERSUSTENTADORES
En ciertas situaciones en las que por las características de la maniobra
(aproximación final, despegue, vuelo lento, etc.) la velocidad que
necesitamos mantener está próxima a los límites operacionales de la
aeronave y por consecuencia se necesita generar mayor sustentación. Para ello, existen una serie de superficies diseñadas para aumentar la sustentación del ala,
denominados dispositivos hipersustentadores.
Concepto: Un dispositivo hipersustentador es un ingenio aerodinámico diseñado para aumentar la sustentación, en determinadas fases del vuelo de una aeronave. Su fin es aumentar la cuerda aerodinámica y la curvatura del perfil alar, modificando la geometría del perfil de tal modo que la velocidad de entrada en pérdida
durante fases concretas del vuelo se
reduzca permitiendo un vuelo más lento
Estes dispositivos se dividen en dos grupos:
A) Pasivos:
Modifican la geometría del ala aumentando la curvatura o superficie alar
o bien, generando huecos para controlar el flujo del aire. Son los flaps y los slats:
Flaps : Situados en la parte interior trasera de las alas, se deflectan hacia abajo de forma
simétrica (ambos a la vez), en uno o más ángulos, con lo cual cambian la
curvatura del perfil del ala (más pronunciada en el extrados y menos pronunciada en el
intrados), la superficie alar (en algunos tipos de flap) y el ángulo de incidencia, todo
lo cual aumenta la sustentación (y también la resistencia). Se accionan desde la cabina, con varios grados de calaje (10º, 15º, etc..)
correspondientes a distintas posiciones de la palanca o interruptor eléctrico,
y no se bajan o suben en todo su calaje de una vez, sino gradualmente. Las posiciones de los flaps y slats están fijadas para cada tipo de
aeronave y varían según las especificaciones de cada modelo, siendo
accionados a criterio del piloto para cada fase de la operación. Representación gráfica:
Podemos difrenciar distintos tipos de flaps:
-Sencillo: Empleado principalmente en aviones ligeros, este flap está formado por una porción de la parte posterior del ala.
-
De intradós:
Como el propio nombre indica, está alojado en el intradós del ala, por
lo que tan sólo proporciona mayor curvatura a esta parte del ala, siendo
por tanto menos efectivo.
-Zap: Es muy parecido al de intradós, con la salvedad de que al reflectarse
se desplaza hacia el extremo del ala, ampliando también la superficie de
ésta además de la curvatura.
-Fowler: Semejante al flap zap, proporciona mucha mayor curvatura y superficie
alar al desplazarse totalmente hacia la parte exterior del ala.
-Ranurado: Al ser deflectado aumenta la curvatura del ala, además crea una o más
ranuras entre el intradós y el extradós que facilitan el paso del flujo
de aire y la disminución de la resistencia al avance que generan otros
tipos de flap.
-Krueger: Similar al rasurado, salvo que en este caso se encuentran instalados en el borde de ataque del ala. (slats, a continuación)
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| Flaps retraidos en B747-300 |
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Slat: Actúan de modo similar
a los flaps. Situadas en la parte anterior del ala, al deflectarse canalizan hacia
el extrados una corriente de aire de alta velocidad que aumenta la sustentación
permitiendo alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en pérdida.
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| Slats deflectados en un Tupolev 154M |
Los flaps y slats están tan intimamente ligados que en los aviones modernos no dispones de
una palanca para flaps y otra para slats, sino que hay una única
palanquita que deflecta ambas superficies proporcionalmente. Por
ejemplo, estos son los valores para un Airbus A320:
Posición de la palanca: 0 1 2 3 FULL
Flaps (deg): 0 10 15 20 35
Slats (deg): 0 18 22 22 27
B) Activos
Son dispositivos que requieren una
aplicación activa de energía directamente al fluido. Ejemplos de este
tipo de dispositivo son los siguientes:
-Flap soplado:
Parte del aire sangrado de los motores se emplea para inyectarlo en las
ranuras de los flaps y aumentar así la velocidad del aire que circula
entre ellos. Este elemento activo aumenta la efectividad de los flaps
pero tienen la desventaja de que al emplear parte de la potencia de los
motores, conlleva una pérdida de prestaciones de la planta motriz.
-Succionadores de capa límite:
dispositivos instalados en el extradós del ala que generan una zona de
baja presión mediante la succión del aire que circula por la parte
superior del ala, haciendo que este quede adherido a la superficie alar
-Generadores de torbellinos:
Son pequeñas placas dispuestas verticalmente sobre ciertas partes del
ala más susceptibles de desprenderse la capa límite. Este tipo de
dispositivo es común en reactores ejecutivos como el Falcon 20.
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| Falcon 20 |
3. 3. WINGLETS
Hoy en dia, la gran mayoría de los aviones
incorporan en los extremos de las alas una especie de aleta denominado
como winglets.
Como hemos explicado antes un avión vuela por una diferencia de presión entre
la parte superior y la inferior. Cuando un ala atraviesa una masa de
aire, ese aire se divide en dos corrientes: uno pasa por encimas del ala
(extradós) y otro por debajo (intradós). Esas dos corrientes se vuelven
a unir en el extremo del ala y se produce un vórtice.
Estos vórtices o pequeños remolinos que se desprenden en la punta crean
una fuerza inducida que frena al avión y es conocida como arrastre
aerodinámico (drag), estos dispositivos de punta de ala disminuyen el tamaño de
los vórtices. También se dice que estos ayudan a que el flujo de aire
que abandona el ala, en lugar de ser desperdiciado sea aprovechado y
transformado en un tipo de empuje. La combinación de estos diferentes
beneficios permite al avión consumir menos energía y por lo tanto ahorrar en combustible.
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| Comparativa de un ala sin winglet a otra con un winglet convencional |
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Un winglet convencional colocado con un ángulo de unos 25 grados
respecto al plano del ala puede reducir el consumo de combustible entre
un 3 y un 5 por ciento. Si se puede modificar ese ángulo durante el
vuelo el ahorro de combustible puede estar más cerca del 5 por ciento
durante más tiempo; si ese mismo winglet se puede situar completamente
plano respecto al ala durante el descenso proporcionará más superficie
de sustentación a baja velocidad, lo que permitiría tomar tierra con
menor potencia de motor, consiguiendo una aproximación a pista más
silenciosa. Actualmente tanto Boeing como Airbus fabricantes trabajan en el
desarrollo de un tipo winglets que pueden cambiar de forma y
configuración durante el vuelo. El desarrollo se basa en piezas de
aleación de metales “con memoria” con propiedades semi elásticas cuya forma se puede modificar
temporalmente aplicando corrientes eléctricas, calor o presión por
ejemplo, para posteriormente recuperar su forma original.
Las diferentes puntas de ala varían en cada avión. Su diseño va en función de la necesidad y su novedosa fabricación. Estos dispositivos tienen diferentes formas y nombres dependiendo del fabricante, pero veamos aquellos más conocidos.
Son los más conocidos y aunque los ocupan muchos aviones de distintos
fabricantes, su forma no varía mucho, son una extensión casi vertical
del ala con ángulo de transición muy pronunciado casi agudo. Fueron los
primeros en ocuparse y los más utilizados en aviones de transporte.
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| 1) Learjet 28/29 2) Boeing 747-400 3) Airbus
A340-600 de Iberia con winglets. |
Son dispositivos de punta de ala, en el cual superficies verticales se extienden por arriba y por debajo de la punta del ala. Usados por Airbus en todas las familias de sus aviones comerciales a excepción de las familias A330 y A340.
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| 1) A320 de Avianca 2) Wingtipfence
de un Airbus A380 de British Airways. |
Los blended winglets a diferencia de los winglets normales
cuentan con una transición del ala al winglet mediante una curva suave
en lugar de un ángulo pronunciado, reduciendo así el arrastre
aerodinámico inducido que se genera en la unión del ala con el winglet.
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| 1) 737 NG de Copa 2) Falcon 50 |
En forma parecen iguales a los blended winglets, sin embargo
sharklet es el nombre que Airbus da a sus nuevos dispositivos de punta
de ala que están presentes en los A320 de nueva generación (Enhanced) y
los futuros A320Neo. Airbus y Aviation Partners alguna vez hicieron
investigación juntos para dotar de blended winglets a los A320, sin
embargo posteriormente perdieron relación y entre batallas legales por
uso de la patente el proyecto no continuó. El nuevo dispositivo de
Airbus llamado sharklet.
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| 1) Airbus A320 2) A320 de Swiss |
Es una punta de ala rastrillada o cortada, no tiene una superficie
perpendicular al ala, sólo es un flechado mayor en la punta de ala que
ha demostrado ser eficiente para aviones de largo alcance y de gran
envergadura. Este diseño está o estará presente en los nuevos 747-8,
767, 777 y los 787 de Boeing.
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| 1) Boeing 787 2) Boeing 747-8 de Boeing |
Es un winglet de tipo experimental que forma un loop o rizo completo en
la punta de ala. Se espera que reduzca totalmente los vórtices y así
generar beneficios aún mayores que otros dispositivos de punta de ala.
El hecho de no haber vórtices también permitiría una menor separación
entre aeronaves en espacios aéreos muy congestionados. El principal
inconveniente es el mayor peso que agregan al avión.
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| 1) Gulfstream II 2)Falcon 50 con spiroidwinglets mejorados |
Al igual que la raked wintip, no es una superficie
vertical o perpendicular al ala, sino una extensión del ala con un mayor
flechado y un mayor ángulo diedro, algo así como la combinación de una
raked wingtip con un winglet de angulo menos pronunciado. Aviones con
este tipo de punta los tendrán los Airbus A350 en todas sus series y
también en algunas alas de gran alargamiento como las de los
planeadores.
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| 1) Airbus A350 2)
Planeador Schempp-Hirth Discus-2 3) Punta de ala no planar del A350 |
Es un diseño hibrido entre una rakedwingtip, un winglet y una
fencewingtip, que más parece la cola de un tiburón. Este tipo de wingtip
es diseñado por AviationPartners, podrá ser instalado en los 737NG y es
algo similar al dispositivo de punta de ala aún sin nombre del futuro
737MAX.
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| 1) Boeing Bussines Jet con Split Scimitarwinglets 2) Boeing 737MAX con nuevos winglets aún sin nombre |
Hace poco
Boeing hizo el lanzamiento oficial del próximo Boeing 777x, el
cual tendrá un ala del mismo diseño del Boeing 787 pero con la novedad
de que estás serán plegables, de forma que el avión pueda ingresar en
plataformas (áreas de estacionamiento) más angostas a las que
necesitaría si mantuviera su envergadura con puntas extendidas. Esto
permitirá tener ventajas operacionales en aeropuertos sin sacrificar
superficie alar, que en vuelo y despegue puedan significar una mayor
carga de paga.
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| 1) Boeing 777x | |
3. 4. SPOILERS
Son unos dispositivos que buscan reducir la fuerza de sustentación e una aeronave. Los spoilers son placas montadas en la cara superior de las alas de un avión que pueden desplegarse provocando una entrada en pérdida controlada sobre la porción del ala situada tras él, reduciendo notablemente la sustentación.
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| Spoilers activados en un Embraer 170 |
Algunos aviones usan los spoilers de forma individualmente en combinación con o en lugar de alerones
para el control longitudinal de la aeronave en vuelo. Cuando la
asimetría de sustentación proporcionada por los alerones no es
suficiente como para producir el ángulo de viraje deseado, se deflectan
los spoilers del ala que se desea que baje. De esta forma se reduce la
sustentación de dicha ala y por consiguiente el alabeo es mayor pero el piloto puede hacerlos funcionar de forma conjunta, para que actúen como frenos de aire, una vez que el avión aterriza. Cuando ambos spoilers se levantan, anulan la fuerza de sustentación y
provocan que el avión pierda impulso una vez que ha tocado tierra. De
esa forma todo el peso del avión se traslada directamente a las ruedas,
facilitando su detención total después que el piloto oprime los pedales
de freno que actúan sobre las ruedas.
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| Spoilers activados de un Airbus A380 |
4. LA GEOMETRÍA DEL ALA
Vamos a explicar algunos de los términos comúnmente utilizados al hablar de la geometría del ala:
PERFIL ALAR: Es la forma de la sección del ala, es decir lo que veríamos si cortáramos ésta transversalmente "como en rodajas".
BORDE DE ATAQUE: Es el borde delantero del ala, la línea que une la parte anterior de
todos los perfiles que forman el ala. Es también la zona más susceptible a tener formación de hielo,
por lo tanto suele tener sistemas de deshielo o antihielo.
BORDE DE SALIDA: (o de fuga) Es el borde posterior del ala donde se unen todos los perfiles del ala; o dicho de otra forma: la
parte del ala por donde el flujo de aire perturbado, retorna a
la corriente libre. Es en este borde donde se ubican parte de los hipersustentadores.
EXTRADÓS: Parte superior del ala. En esta zona se forman bajas presiones y el
aire es acelerado.
INTRADÓS: Parte inferior del ala.
En esta zona se forman sobrepresiones. Una
sobrepresión en el intradós unida a una depresión en el extradós compone
la sustentación global de ala.
DIRECCIÓN DE VUELO: La dirección relativa del ala respecto al aire.
ESPESOR: Distancia entre el extradós y el intradós.
CUERDA: Es la línea recta imaginaria trazada entre los bordes de ataque y de salida de cada perfil.
CURVATURA: Del ala desde el borde de ataque al de salida. Dos tipos: Curvatura superior (curvatura de extradós) y curvatura inferior (la de intrados). Lo normal es
que se exprese en % de la cuerda.
SUPERFICIE ALAR: Superficie total correspondiente al ala.
ENVERGADURA: Distancia entre los dos extremos del ala.
FLECHA: Ángulo que forman las alas respecto del eje transversal del avión. La flecha puede ser
positiva (extremos de las alas orientados hacia atrás, que es lo habitual), neutra, o negativa (extremos
adelantados)
5. TIPOS DE ALAS
Atendiendo a la forma de la planta de una ala se puede modificar la eficiencia del ala y la resistencia del ala, además hay que tener en cuenta a la hora de elegir las condiciones de vuelo del avión y sus necesidades. Por la formas en planta las alas se pueden clasificar en:
RECTA: Es típica de las avionetas,
un ala con forma de rectángulo. Esta
ala se instala en aviones que realicen vuelos cortos (en tiempo) a baja
velocidad. Ejemplos de aviones con ala rectangular son el Piper PA-32, el T-18, Pilatus PC-6 o bien el A10 Thunderbolt II.
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| Piper PA-32 |
ELÍPTICA: Ala que minimiza la resistencia inducida.
Típica de algunos cazas de la Segunda Guerra Mundial
ya que no utilizaban dispositivos de punta de ala. Bastante complicada
de construir, es un ala prácticamente en desuso. Cazas como el Spitfire, algunos modelos del He-111 y el Bäumer Sausewind.
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| SPITFIRE |
TRAPEZOIDAL: También típica de avionetas, es un ala que su
anchura de la raíz a la punta se reduce progresivamente dándole una
forma trapezoidal. Es más eficiente que el ala recta dando para una
dificultad de construcción no mucho mayor. También es posible encontrar
este tipo de ala en los cazas supersónicos. Aviones que usan esta ala
son, con un ala muy pequeña, el X-3 Stiletto, o los cazas F-22 Raptor y X-32.
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| F22-RAPTOR |
FLECHA: El ala forma un ángulo no recto con el fuselaje, de esta
forma se consigue engañar al aire que se encuentra el avión reduciendo
el número de Mach que ven realmente los perfiles del ala. Son típicas de aviones en vuelo subsónico alto, de esta forma consigue reducir el Mach de divergencia
y por lo tanto a una misma potencia motor pueden volar más rápido.
También suelen llevar este tipo de ala los cazas supersónicos cuando no
usan otras configuraciones. Ejemplos de ala en flecha nos los podemos
encontrar en la mayoría de los aviones actuales de transporte de
pasajeros, el B-52 , el Su-47 con flecha invertida o el F-14 con ala de flecha variable.Ejemplos de los diferentes tipos de ala con forma de flecha:
DELTA: es el ala generalmente usada para aviones en vuelo supersónico,
especialmente en cazas de combate. La gran ventaja de esta ala es que
consigue que el borde de ataque del ala quede retrasado respecto a la
onda de choque generada por la punta del avión. Una gran mayoría de
cazas poseen este tipo de ala como el F-106, también usando un canard como el Eurofighter typhoon:
OJIVAL: Es una variación de la ala en forma de delta. El avión supersónico Concorde es un claro ejemplo para este tipo de ala:
Saludos, Dert-16
Estas señales representan respectivamente el umbral y umbral desplazado. Constituido por una
serie de franjas longitudinales dispuestas simétricamente
respecto al eje de pista simulando un paso de peatones. Señaliza
el límite de la pista utilizable para el aterrizaje y
normalmente coincidirá con el borde de la pista. Si no es así, se
dirá que es Umbral desplazado y se señalizará con una serie de
flechas, coincidentes con el eje de pista.
Las marcas gordas blancas se llaman "aiming point signs" (conocidas como zona de visada) indican el
punto en el que se intersectan el G/S o las luces PAPI/VASI con la pista
o como su nombre revela, el punto al que "apunta" el piloto en el
aterrizaje donde dicho de otra manera la senda de planeo intercepta la pista. Suele estar a 1000 pies del umbral de pista de tal forma que
al sobrevolar el umbral el avión pase a 50pies de altura. 
Estos letreros o señales pintadas sobre el pavimento indican la ubicación actual en pista o calle de rodaje.
Lineas en V (chevrons) flechas amarillas grandes pintadas sobre zonas pavimentadas que son áreas de frenado de emergencia: EMAS (Sistemas de frenado con materiales especiales). En el pavimento marcado con esto no debe utilizarse excepto caso de emergencia por salida de pista.
Indica que están prohibidos los aterrizajes. Y esta otra indica que hay que tener precaución durante la aproximación y aterrizaje:
Nos indica
que el aeródromo está siendo utilizado por planeadores.
