El ala de un avión. ¡¡¡Al detalle!!!

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)

Flaps retraidos en B747-300

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.

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.

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.

Comparativa de un ala sin winglet a otra con un winglet convencional

 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.

•  Winglet normal

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.

1) Learjet 28/29 2) Boeing 747-400 3) Airbus A340-600 de Iberia con winglets.

• Wingtip fence 

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.

1) A320 de Avianca 2) Wingtipfence de un Airbus A380 de British Airways.

•  Blended winglets

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. 

1) 737 NG de Copa 2) Falcon 50

• Sharklets

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.

1) Airbus A320  2) A320 de Swiss

• Rakedwingtip

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.

1) Boeing 787 2) Boeing 747-8 de Boeing

• Spiroid Winglet  

 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.

1) Gulfstream II 2)Falcon 50 con spiroidwinglets mejorados

•  Punta de ala no planar

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.

1) Airbus A350 2) Planeador Schempp-Hirth Discus-2 3) Punta de ala no planar del A350

• Split ScimitarWinglet

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.

1) Boeing Bussines Jet con Split Scimitarwinglets 2) Boeing 737MAX con nuevos winglets aún sin nombre

• Folding Raked wingtip    

 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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