Las ventajas de los diseños de ala desgastado en la reducción de arrastre
En la búsqueda de una eficiencia y rendimiento cada vez más grandes, los ingenieros aeronáuticos refinan continuamente la forma de alas de aviones para minimizar la arrastre aerodinámica. Entre las características de diseño más eficaces y ampliamente adoptadas está la ala cónica. Caracterizada por una disminución gradual de la longitud de acorde de la raíz de ala (donde se encuentra el fuselaje) a la punta, la planforma cónica es una piedra angular del diseño moderno de los modernos de los aviones.
¿Qué son los Alambrados Taperados?
Un ala cónica es una en la que la longitud de acordes, la distancia desde el borde de la pista hasta el borde de la pista, disminuye a lo largo del lazo de la raíz a la punta. Esto crea una forma que puede variar desde un trapezoide suave hasta un punto cercano. El grado de cintura se expresa a menudo como una relación de cintura (tipada dividida por chorónico raíz).
La forma cónica no es una invención moderna. Los primeros pioneros como los hermanos Wright utilizaron una forma de tapiz en sus diseños de alas, y el concepto se refina con el desarrollo de alas elípticas en aviones como el Supermarine Spitfire, que ofreció una eficiencia aerodinámica excepcional. Sin embargo, las alas elípticas son complejas y costosas para construir.
La Aerodinámica de la Arrastración
Para apreciar cómo las alas cónicas reducen la arrastre, es esencial entender los dos tipos principales de arrastre que afectan a un avión: arrastre inducido y arrastre parasitario. Arrastre inducido es una consecuencia de la generación de ascensor.
Cómo los Alas Tapered reducen la Arrastre Induced
La ventaja fundamental de una ala cónica radica en su capacidad de distribuir el ascensor de manera más eficiente a lo largo del lazo. Un ala ideal produciría una distribución de elevación elíptica, donde el ascensor por unidad varía elípticamente de raíz a punta. Esta distribución minimiza la arrastre inducida para un lazo y ascensor dados. La forma elíptica (por ejemplo, el Spitfire) logra esto naturalmente, pero un ala cónico bien diseñado con un sendero cónico que puede conducir muy cerca
Distribución de elevación elíptica
For a given wingspan and lift, the absolute minimum induced drag occurs when the downwash is constant across the span. This condition is met by an elliptical distribution of lift. A rectangular wing, in contrast, produces a nearly constant lift per unit span near the root but a sharp drop-off at the tips, leading to strong tip vortices and higher induced drag. A tapered wing, by reducing the chord at the tip, reduces the local lift there, causing the lift distribution to become more elliptical. This reduces the strength of the tip vortices and, consequently, the induced drag.
Vórtices de punta y su reducción
Los vórtices Wingtip son más pronunciados cuando hay un rápido cambio en el ascensor cerca de la punta. El ala se suaviza esta transición. Debido a que el acorde de la punta es más pequeño, el coeficiente de elevación local (elevador por área) es más bajo, y la diferencia de presión entre superficies superiores e inferiores se reduce. Esto conduce a los vórtices más débiles, que se traducen directamente en menos inducidas.
Otras ventajas aerodinámicas y estructurales
Más allá de la reducción de la arrastre inducida, las alas cónicas ofrecen varias ventajas adicionales que contribuyen a la eficiencia y el manejo generales de las aeronaves.
Características de la estadística mejoradas
El comportamiento firme es crítico para la seguridad. En un ala recta y sin tapones, el estancamiento comienza a menudo en la raíz y progresa hacia fuera, proporcionando bufet y eficacia del alerón a medida que se desarrolla el estancamiento. Esto es deseable porque el piloto mantiene el control del rollo. Las alas ajustadas, sin embargo, tienden a tener un ángulo local más alto de ataque en la punta debido a la reducción del acorde.
Ahorros de peso estructural
Un ala cónica puede ser más ligera que un ala rectangular de la misma lata y área. El momento de curvatura en la raíz es más fuerte; un ala cónica reduce el acorde (y por lo tanto el airload) cerca de la punta, bajando el momento de curvado. Esto permite que el ala del ala y la piel sean más ligeros, ahorrando peso estructural. Además, la raíz, donde el ala se une el fuselaje, puede ser más profundo y más grueso para acomodar
Arrastre Parasitario Reducido A través de una proporción de alto respeto
Debido a que una ala cónica permite un mayor espacio para una zona determinada (o equivalente, una relación de aspecto más alta) sin una carga excesiva de propina, permite a los diseñadores aumentar la relación de aspecto más allá de lo que permitiría una ala rectangular. Las proporciones de aspecto más altos reducen inherentemente la arrastre inducida, haciendo que el ala sea aún más eficiente. Además, una ala cónica puede reducir la zona mojada en la punta, reduciendo ligeramente la arrastre de la piel.
Consideraciones sobre el comercio y el diseño
Mientras que las alas cónicas ofrecen beneficios sustanciales, no están sin compromisos. El diseño estructural de una ala altamente cónica requiere ingeniería cuidadosa para evitar el estancamiento de la punta y gestionar la ruta de carga. Los costos de fabricación pueden ser más altos debido a la variable acorde y la necesidad de costillas y paneles de piel con forma precisa. Además, las alas altamente cónicas (con muy bajas ratios de cintura) pueden experimentar tendencias de lanzamiento en ángulos altos de ataque, un fenómeno mitigado
Another consideration is the interaction with the fuselage. The root of a tapered wing is larger than that of an equivalent rectangular wing, which can increase interference drag at the wing-fuselage junction. Engineers address this with fillets and careful fairing design. Despite these challenges, the aerodynamic and structural advantages of moderate taper (taper ratios between 0.3 and 0.5) are so compelling that they are standard on virtually all modern airliners and many business jets.
Ejemplos y Aplicaciones Modernas
Casi todos los aviones de transporte aéreo en servicio hoy cuentan con alas cónicas. La familia de la bobina 737, por ejemplo, utiliza un cinturómetro moderado combinado con alas en nuevas variantes para lograr una alta eficiencia del combustible. La serie Airbus A320 también emplea un ala cinturado con un elevador distintivo y un elevador optimizado
El F-16 Fighting Falcon utiliza un cuerpo de ala mezclada con un tapón sustancial para lograr un rendimiento supersónico manteniendo la eficiencia subsónica. La capacidad de la ala cónica para reducir la arrastre a través de una amplia gama de velocidades lo convierte en una opción versátil. Incluso la última generación de aviones voladores, como el Espíritu B-2, incorporan el tapiz en su plan general para minimizar la arrastre y la firma de radar.
Conclusión
Los diseños de alas de la versión siguen siendo una herramienta fundamental en el arsenal del ingeniero aeronáutico para reducir la resistencia y mejorar la eficiencia de los aviones. Al promover una distribución de elevación más elíptica, reducen significativamente la resistencia inducida, lo que lleva a un menor consumo de combustible, mayor alcance y menor impacto ambiental. Combinado con beneficios estructurales y el potencial para mejorar las características de los puestos cuando las alas configuradas ofrecen un compromiso equilibrado entre pureza aerodinámica y construcción práctica.
Para más información sobre la aerodinámica del ala, el Centro de Investigación de NASA Glenn proporciona recursos educativos sobre el ascensor y la arrastre, y el Manual de Conocimiento Aeronáutico de FFAA Pilot ofrece un análisis profundo de los principios del diseño del ala.