Wing (aeronáutica)

El perfil aerodinámico es la superficie que proporciona la sustentación de un aerodino mediante la desviación de una masa de aire, debido a su movimiento. En el caso de un dispositivo de "ala fija" ( avión o planeador ) este es el ala , a diferencia de un dispositivo de ala giratoria ( helicóptero , autogiro ), donde es un rotor .

Descripción

Histórico

El área de vela requerida para el vuelo depende del peso y la velocidad y, por lo tanto, de la potencia de los motores disponibles. Al comienzo de la aviación, los motores disponibles eran pesados y no muy potentes, la velocidad baja; Por lo tanto, se requirió una gran superficie de apoyo, lo que llevó a la construcción de aerodinos con varias alas superpuestas conectadas entre sí por mástiles y obenques, porque la técnica de la época no permitía la construcción de alas de alta relación de aspecto. Los dispositivos multiplano eran, por tanto, una configuración frecuente en los primeros días de la aviación.

En la primera mitad del XX ° siglo se construyeron aviones biplanos (dos alas superpuestas) o triplane (de tres capas marquesinas). Esto hizo posible obtener una sustentación adicional sin aumentar demasiado la envergadura y la masa del ala. Con el aumento de la potencia del motor, la aparición de nuevos métodos de construcción y nuevos materiales, la mejora de los medios de cálculo y dimensionamiento y el desarrollo de la ciencia de la resistencia de los materiales, ayudó la construcción de aviones en guardabarros metálicos más gruesos pero sin obenques. reducir la resistencia y ganar velocidad.

Desde la Segunda Guerra Mundial , casi todos los aviones han sido monoplanos : sus alas constan de dos alas en voladizo o en voladizo colocadas a cada lado del fuselaje .

Posición en el fuselaje

Las alas se distinguen según su ubicación en el fuselaje:

alas bajas;
medianas
alto;
parasol, elevado por encima del fuselaje.

Las alas altas permiten elevar los motores y hélices para compensar la ingestión de cuerpos extraños (o agua en el caso de hidroaviones, como en el Beriev Be-200 ) o para facilitar el transporte de cargas voluminosas en la bodega (ej. Transall C-160). En aviones de pasajeros ligeros, proporcionan una mejor visibilidad hacia abajo, excepto en las curvas (por ejemplo, Cessna 152 ).

Terminología

Longitudinalmente: el borde delantero se llama borde de ataque y el borde trasero el borde de salida .

Transversal: la unión del ala con el fuselaje se llama raíz . La unión del borde de ataque con el fuselaje puede extenderse hacia adelante mediante un vértice ( LERX ).

El extremo del ala (o salmón ) se puede cortar simplemente limpio o terminar con una forma especial curvada hacia arriba o hacia abajo. También hay aletas o marginales winglets , sola (hacia arriba) o dobles (arriba y abajo). Es en el extremo del ala donde se colocan las luces de navegación: rojo a la izquierda y verde a la derecha.

Estructura

Cada media ala está formada por uno (o más) largueros unidos al fuselaje en el nivel de la raíz . Las nervaduras soportan las superficies superior ( superior ) e inferior ( parte inferior ) y transmiten cargas aerodinámicas a las vigas. El dosel también puede ser el soporte de varios sistemas de navegación como luces de posición (en los extremos), luces de aterrizaje o pilotaje (detector de pérdida). También se le adjuntan otros dispositivos, por ejemplo varillas delgadas a veces terminadas por cepillos de fibra de carbono ( dispositivo de pérdida de potencial ) que permiten eliminar la carga electrostática formada por la fricción del aire.

Superficies móviles

El ala tiene superficies móviles que permiten variar la sustentación y la resistencia:

lamas y contraventanas de gran altura ,
aerofrenos (AF) o spoilers . Los spoilers se pueden usar asimétricamente (en un lado) para controlar el balanceo de la carrocería.

y superficies de control que permiten el control del avión:

Superficies de control en rollo: alerones
Superficies de control de cabeceo y balanceo en las alas delta : elevadores más alerones, separados o agrupados ( elevones )

Winglet
Alerón de baja velocidad
Spoiler de alta velocidad
Riel deslizante de persiana
Boquilla de borde de ataque tipo Krüger
Punta de borde de ataque tipo listón
Persianas interiores tipo Fowler
Persianas exteriores tipo Fowler
Spoiler ( elevador de trituradora y spoiler )
Spoiler ( elevador de trituradora y spoiler )

Cargando

El ala también se puede utilizar como punto de fijación para motores , trenes de aterrizaje y transporte de cargas en aviones militares . Generalmente contiene cajones que sirven como depósitos de combustible.

Aerodinámica y geometría del ala

La geometría de un ala se define de acuerdo con varios elementos (ver en aerodinámica las definiciones de términos relacionados con el ala de un avión):

envergadura , área del ala , alargamiento . La superficie del ala (cojinete) incluye no solo las alas (fuera del fuselaje), sino también la parte del fuselaje ubicada entre las alas, en la extensión del borde de ataque y el borde de fuga de las alas.
flecha : es el ángulo horizontal formado entre el lugar del cuarto delantero de las cuerdas y el eje transversal del plano.
diedro : es el ángulo vertical que se forma entre el lugar del cuarto delantero de las cuerdas y el eje transversal del plano.
perfil , cuerda , espesor .
Ángulo de ajuste : es el ángulo entre la cuerda del perfil de raíz y el eje longitudinal de referencia del fuselaje, generalmente horizontal a velocidad de crucero. En vuelo de crucero estabilizado, el ángulo de ajuste es igual al ángulo de ataque .

Elevación y estabilización clásica (pasiva)

Caso de dos superficies

La estabilidad del cabeceo se obtiene generalmente mediante un posicionamiento específico del centro de gravedad y mediante el diferencial de sustentación de dos superficies de apoyo distantes entre sí.

Estas dos superficies tienen tiempos diferentes: es la V longitudinal . Las superficies se pueden organizar de varias formas:

diseño clásico: ala en la parte delantera, estabilizador sin carga en la parte trasera (20 a 25% de la superficie del ala). El estabilizador tiene un ajuste más bajo que el del ala principal, es un poco spoiler cuando se navega. Su potencial de momento de morro hacia arriba equilibra el alto momento de morro hacia abajo de los flaps de alta sustentación que aumentan en gran medida la sustentación del ala.

El efecto de una diferencia en el ajuste es el siguiente: si una perturbación aumenta el ángulo de ataque, la sustentación del plano del ascensor varía proporcionalmente más que la del ala principal. Esto provoca un par de mordida que reducirá la incidencia.

Ejemplo cuantificado:

Impacto del ala principal en vuelo estabilizado: 3 ° (ángulo de elevación cero del perfil - 4 °) Ángulo de ataque en vuelo estabilizado del plano de profundidad: 1 ° Incrementar la incidencia por perturbación: 1 ° Aumento de la sustentación del ala principal: 14% (7 ° + 1 ° en comparación con 7 °) Aumento de elevación del plano de profundidad: 100% (1 ° + 1 ° en comparación con 1 °)

diseño de pato : área pequeña en la parte delantera, ala en la parte trasera. Ambos llevan, teniendo el alerón delantero un coeficiente de sustentación más alto que el trasero. La sustentación no varía de la misma forma con el ángulo de ataque ( pendiente de sustentación ).
disposición en tándem , superficies vecinas (Sky Pou, Quickie, Dragonfly). Ambos usan, ídem pato.
Ala de gaviota , en forma de "M".
Ala en gaviota invertida , en forma de "W".

Caso de una sola superficie

Las soluciones ( ala volante con o sin flecha, ala Delta ) son diversas:

ala sin flecha, uso de un perfil con doble curvatura (positivo en la parte delantera del perfil y negativo en la parte trasera), ala barrida y giro negativo. La punta del ala (más atrás y más débil) actúa como una cola estabilizadora, ala delta, perfil simétrico o de baja curvatura, elevaciones ligeramente elevadas (dando un perfil de doble curvatura)

En ausencia de estabilizador trasero, la estabilidad longitudinal, obtenida mediante dispositivos que reducen la sustentación, es baja y no permite la instalación de flaps que provocarían momentos de morro hacia abajo demasiado elevados. El coeficiente de sustentación máximo sigue siendo limitado, lo que obliga a aumentar el área del ala.

Estabilización asistida (activa)

En este caso, la aeronave puede estar centrada más hacia atrás y aerodinámicamente inestable. La estabilización del cabeceo es proporcionada por una computadora y actuadores que controlan constantemente los timones (vuelo por cable). Como la cola es menos spoiler, la resistencia debida a la estabilización es menor.

Ángulo de la pluma

Las alas rectas (perpendiculares al fuselaje), con deflexión cero, están adaptadas a velocidades subsónicas ( <Mach 0,7 )
La flecha de las alas tiene menos resistencia más allá de Mach 0,7-0,8 como alas rectas.
Alas de barrido inverso , rara vez implementadas y que favorecen la maniobrabilidad sobre la estabilidad.
Las alas de geometría variable son capaces de modificar la deflexión en vuelo para aprovechar las ventajas que ofrecen las alas rectas y alas delta . Propuestos por aerodinámicos alemanes durante la década de 1940 , no se utilizaron hasta la década de 1970 en aviones como el F-14 Tomcat , F-111 , Tornado , Su-17/20/22 y el MIG-23 . Una configuración experimental (no continuación) es la del ala oblicua (plano X, que no debe confundirse con el X-Wing ), que puede girar alrededor de un punto de enganche ubicado en el fuselaje y presentar así una flecha positiva en un lado. y negativo por el otro. Para explorar este concepto, NASA Ames voló un prototipo AD-1 construido por Burt Rutan entre 1979 y 1982.

Formulario de plan

Alas elípticas . Las alas con una distribución de elevación elíptica en teoría tienen un arrastre inducido mínimo a velocidades subsónicas ( Supermarine Spitfire ). En la práctica, la ventaja sobre un ala trapezoidal no es significativa.
Las alas delta ( Mirage III , Concorde ) tienen un rendimiento óptimo a velocidades supersónicas (finura alrededor de 7) pero son menos eficientes a velocidades subsónicas (finura Concorde en 11.5 subsónico en lugar de 18 a 20 para un Airbus)
Las alas de Rogallo son dos semiconos huecos de tela, una de las alas más simples de construir.
Las alas anulares se han unido con aspas aerodinámicas y mejor eficiencia aerodinámica (en teoría, siempre) que las alas planas para la misma relación de exposición (?). En la práctica, los planos de carga que se encuentran en su extremo están ligeramente desplazados longitudinalmente, lo que conduce a dificultades para estabilizar el paso, reduciendo el valor de la fórmula.

Aplicación de aerodinámica al ala

Cuando este apéndice se mueve en un fluido, su forma particular induce una tracción desde el intradós hacia el extradós , perpendicular al plano de su cara. Si ese fluido es aire, permite el vuelo. Pero cuando no se mueve en un fluido, su forma induce una tracción desde la superficie superior hacia la superficie inferior, paralela al plano de su cara, e igual a la relación X² / UZ + 3-2QS² o, más simplemente, a el delta de presión debido a la diferencia en las velocidades de flujo entre las dos caras (ver Bernoulli ).