En tecnología aeronáutica , un ala es una superficie de apoyo que tiene una forma perfilada en la sección transversal en la dirección del flujo y está diseñada para crear sustentación aerodinámica . El ala de un avión puede tener una forma diferente en planta y en términos de envergadura: una forma diferente de secciones en planos paralelos al plano de simetría del avión, así como diferentes ángulos de giro de las secciones en estos planos [1] .
Características geométricas: una lista de parámetros, conceptos y términos utilizados para diseñar un ala y determinar los nombres de sus elementos [2] :
Envergadura (L): la distancia entre dos planos paralelos al plano base de la aeronave y que tocan los extremos del ala. [GHS 1990 (pág. 55)] La cuerda de la superficie de apoyo del ala es un segmento de línea recta tomado en una de las secciones del ala por un plano paralelo al plano base de la aeronave, y delimitado por los puntos anterior y posterior del perfil. La cuerda local del ala (b(z)) es un segmento de línea recta en el perfil del ala que conecta los puntos anterior y posterior del contorno del perfil en una sección determinada a lo largo de la envergadura del ala. La longitud de la cuerda local del ala (b (z)) es la longitud del segmento de línea que pasa por los puntos delantero y trasero del perfil aerodinámico en la sección local a lo largo de la envergadura del ala. La cuerda central del ala (b 0 ) es la cuerda local del ala en el plano de base de la aeronave, obtenida continuando la línea de los bordes de ataque y de salida del ala hasta la intersección con este plano. [GHS 1990 (pág. 54)] La longitud de la cuerda central del ala (b 0 ) es la longitud del segmento entre los puntos de intersección de los bordes de ataque y de salida del ala con el plano base de la aeronave. [GHS 1990 (pág. 54)] Cuerda del ala a bordo (b b ) - una cuerda a lo largo de la línea de separación del ala y el fuselaje en la sección del ala paralela al plano base de la aeronave. [GHS 1990 (pág. 54)] Cuerda final del ala (b a ) - la cuerda en la sección final del ala, paralela al plano base de la aeronave. El plano de referencia del ala es el plano que contiene la cuerda central del ala y perpendicular al plano de referencia de la aeronave. [GHS 1990 (pág. 43)] Área del ala (S): el área de la proyección del ala en el plano base del ala, incluida la parte ventral del ala y las extensiones del ala. [GHS 1990 (pág. 55)] La sección de control del ala es una sección condicionada del ala por un plano paralelo al plano base del ala (z = const). [SGA 1990(16)] Curvatura del ala : desviación variable de la línea central de las superficies aerodinámicas de sus cuerdas; caracterizado por una concavidad relativa del perfil (la relación de la desviación máxima de la línea media de la cuerda a la longitud de la cuerda). [SGA 1990(16)] La superficie media del ala - formada por la totalidad de las líneas medias de los perfiles del ala a lo largo de la envergadura; generalmente dado por algunas leyes de cambio en la concavidad del perfil y la torsión del ala a lo largo del tramo; con un valor constante de torsión del ala y curvatura cero de los perfiles que componen el ala, la superficie mediana es un plano. [SGA 1990(16)] La relación de aspecto del ala (λ) es un parámetro geométrico relativo definido como una relación: λ = L²/S; El estrechamiento del ala (η) es el parámetro geométrico relativo del ala, definido como la relación: η = b 0 /b to ; El giro geométrico del ala es la rotación de las cuerdas del ala a lo largo de su envergadura en algunos ángulos (según la ley φ kr = f (z)), que se miden desde el plano, que generalmente se toma como plano base. del ala (siempre que el ángulo de acuñamiento del ala a lo largo de la cuerda de a bordo sea igual a cero) . Se utiliza para mejorar las características aerodinámicas, la estabilidad y la capacidad de control en vuelo de crucero y cuando se alcanzan ángulos de ataque elevados. El ángulo local del giro geométrico del ala (φkr(z)) es el ángulo entre la cuerda local del ala y su plano base, y el ángulo φkr (z) se considera positivo cuando el punto anterior de la cuerda local es más alto que el punto posterior de la misma cuerda del ala.El ala se puede dividir en tres partes: los semiplanos o consolas izquierdo y derecho y la sección central. Para aviones ligeros, como el Cessna-152 , Yak-12 e incluso el L-410 más grande, el ala tiene una estructura de una sola pieza sin división en partes. El fuselaje se puede hacer como portaaviones (por ejemplo, en aviones Su-27 , F-35 , Su-57 ). Los semiplanos, a su vez, pueden incluir la entrada y la punta del ala . La expresión "alas" se encuentra a menudo, pero es errónea en relación a un monoplano , ya que el ala es una sola y consta de dos semiplanos. En casos raros, un monoplano también puede tener 2 alas, por ejemplo, el Tu-144 tenía un ala delantera retráctil adicional.
La fuerza de elevación del ala se crea cambiando la dirección del flujo de aire [3] [4] .
Una de las explicaciones más comunes para el principio del ala es el modelo de impacto de Newton, propuesto por él en Principia Mathematica para un medio extremadamente enrarecido con partículas que no chocan entre sí (es decir, para un medio en el que el camino libre medio es mucho mayor que el tamaño del ala): las partículas de aire, que chocan con la superficie inferior del ala en un ángulo con el flujo, rebotan elásticamente de acuerdo con la tercera ley de Newton , empujando el ala hacia arriba. Este modelo simplificado tiene en cuenta la ley de conservación de la cantidad de movimiento, pero ignora por completo el flujo alrededor de la superficie superior del ala, por lo que genera una cantidad de sustentación subestimada [5] . En este caso, es ilegal utilizar este modelo para un medio en el que el recorrido libre medio es muy inferior a las dimensiones características del ala.
En otro modelo simplificado, la aparición de sustentación se explica por la diferencia de presión en los lados superior e inferior del perfil, lo que ocurre de acuerdo con la ley de Bernoulli [6] : en la superficie inferior del ala, el caudal de aire es menor que en la parte superior, de modo que la sustentación del ala se dirija de abajo hacia arriba; Esta diferencia de presión es responsable de la fuerza de elevación. El modelo también es incorrecto debido a la relación unidireccional incorrecta entre el caudal y la rarefacción [3] [7] [8] . En realidad, tenemos la relación entre el ángulo de ataque , la rarefacción y la velocidad del flujo.
Para cálculos más precisos , N. E. Zhukovsky introdujo el concepto de circulación de la velocidad del flujo ; en 1904 formuló el teorema de Zhukovsky . La circulación de velocidad le permite tener en cuenta la inclinación del flujo y obtener resultados mucho más precisos en los cálculos. Una de las principales deficiencias de las explicaciones anteriores es que no tienen en cuenta la viscosidad del aire, es decir, la transferencia de energía y cantidad de movimiento entre las capas individuales del flujo (que es lo que provoca la circulación). La superficie del suelo puede tener un efecto significativo en el ala, "reflejando" las perturbaciones del flujo causadas por el ala y devolviendo parte del impulso ( efecto suelo ).
El flujo de aire que sigue a lo largo de la superficie superior del ala se "pega" a ella e intenta seguir a lo largo de esta superficie incluso después del punto de inflexión del perfil aerodinámico ( efecto Coanda ).
De hecho, el flujo alrededor de un ala es un proceso tridimensional no lineal y, a menudo, no estacionario muy complejo . La fuerza de sustentación de un ala depende de su área, perfil, forma en planta, así como del ángulo de ataque , velocidad y densidad de flujo ( número de Mach ) y de una serie de otros factores. Para calcular la fuerza de elevación, se utilizan las ecuaciones de Navier-Stokes [3] (es decir, el cálculo tiene en cuenta la viscosidad, la conservación de la masa y el momento).
La posición del ala con respecto al fuselaje está determinada por su ubicación a lo largo y alto del fuselaje, así como el ángulo de instalación con respecto a su eje longitudinal. La ubicación del ala a lo largo de la altura del fuselaje puede ser diferente: alta, media y baja. De acuerdo con esto, la aeronave se llama de ala alta, ala media y ala baja . La opción de ubicación depende de la forma del fuselaje, el propósito de la aeronave, el tipo y ubicación de los motores, etc. El ángulo de instalación del ala se elige para que sea igual al ángulo de ataque en el modo de vuelo más típico. En este caso, el fuselaje se encuentra aguas abajo y tiene la menor resistencia.
Uno de los principales problemas en el diseño de nuevos aviones es la elección de la forma óptima del ala y sus parámetros (geométricos, aerodinámicos, de fuerza, etc.).
La principal ventaja de un ala recta es su alto coeficiente de sustentación incluso en ángulos de ataque bajos . Esto le permite aumentar significativamente la carga específica en el ala y, por lo tanto, reducir el tamaño y el peso, sin temor a un aumento significativo en la velocidad de despegue y aterrizaje. Este tipo de ala se utiliza en aviones subsónicos y transónicos con motores a reacción. Otra ventaja de un ala recta es la capacidad de fabricación, lo que permite reducir el costo de producción.
La desventaja que predetermina la inadecuación de tal ala a velocidades de vuelo sónicas es un fuerte aumento en el coeficiente de arrastre cuando se excede el valor crítico del número de Mach.
El ala recta es muy sensible a la turbulencia atmosférica y, por lo tanto, el efecto de las "bolsas de aire" se siente bien en aviones de movimiento lento (especialmente biplanos) y planeadores con ala recta.
El ala en flecha se ha generalizado debido a varias modificaciones y soluciones de diseño.
ventajas:
Defectos:
Para eliminar los momentos negativos, se utiliza el giro del ala , la mecanización, el ángulo de barrido variable a lo largo del tramo, el estrechamiento inverso del ala o el barrido negativo.
Ejemplos de aplicación: Su-7 , Boeing 737 , Tu-134 , etc.
Ala de afluencia (animal)Variación de ala en flecha . Las acciones de un ala ojival se pueden describir como un flujo en espiral de vórtices que se desprenden del borde de ataque afilado de un gran barrido en la parte cercana al fuselaje del ala. La película de vórtice también provoca la formación de vastas áreas de baja presión y aumenta la energía de la capa límite de aire, aumentando así el coeficiente de sustentación. La maniobrabilidad está limitada principalmente por la resistencia estática y dinámica de los materiales estructurales, así como por las características aerodinámicas de la aeronave.
Ejemplos de aplicación: Tu-144 , Concorde
Un ala con un barrido negativo (es decir, con un bisel hacia adelante).
ventajas:
Defectos:
Ejemplos de aplicación : serie civil HFB-320 Hansa Jet , caza experimental Su-47 Berkut .
El ala triangular ( ala delta inglesa en forma de delta , obtuvo su nombre de la letra griega delta ) es más rígida y liviana que la recta y la barrida y se usa con mayor frecuencia a velocidades superiores a M = 2.
ventajas:
Defectos:
Ejemplos de aplicación : MiG-21 , HAL Tejas , Mirage 2000 (espesor relativo pequeño); Gloster Javelin , Avro Vulcan (calibre grande), Avro Canada CF-105 Arrow , Saab 37 Viggen , avión de pasajeros supersónico Lockheed L-2000 , Boeing-2707-300 [10]
Ala trapezoidal .
ventajas:
Ejemplos de aplicación : prototipo F/A-18 , YF-23 .
Ventajas: tiene la relación sustentación- resistencia más alta entre todos los tipos de alas conocidas [13] .
Inconvenientes: muy difícil de fabricar.
Ejemplos de aplicación : K-7 (URSS), Supermarine Spitfire .
El autor del tipo de ala arqueada es el diseñador estadounidense Willard Custer, quien en las décadas de 1930 y 1950 desarrolló y construyó varios aviones experimentales, en los que aplicó el esquema aerodinámico que inventó. Su característica principal, tal como la concibió Custer, era la capacidad de un ala semicircular para crear, debido a su forma, sustentación estática adicional. Sin embargo, Caster no pudo probar el concepto con un rendimiento viable, y el ala arqueada no ganó terreno en la industria aeronáutica .
Custer afirmó que una nave con un ala de este tipo era capaz de despegar y trepar casi verticalmente, o flotar mientras mantenía la velocidad de un vehículo ferroviario.
El ala también se caracteriza por el espesor relativo (relación entre el espesor y el ancho), en la base y en los extremos, expresado en porcentaje.
ala gruesaEl ala gruesa le permite mover el momento de entrar en pérdida en picada ( stall ), y el piloto puede maniobrar con grandes ángulos y sobrecarga. Lo principal es que esta pérdida en un ala de este tipo se desarrolla gradualmente, mientras se mantiene un flujo suave alrededor del flujo en la mayor parte del ala. Al mismo tiempo, el piloto tiene la oportunidad de reconocer el peligro por las sacudidas emergentes del avión y actuar a tiempo. Un avión con un ala delgada pierde abrupta y repentinamente sustentación en casi toda el área del ala, sin dejar oportunidad para el piloto [14] .
Ejemplos : TB-4 (ANT-16), ANT-20 , K-7 , Boeing modelo 299, Boeing XB-15
Perfil aerodinámico supercrítico (SP), un perfil aerodinámico de ala subsónica que permite, a un valor fijo de los coeficientes de fuerza de sustentación y el grosor del perfil aerodinámico, aumentar significativamente el número de Mach crítico . Para aumentar la velocidad, es necesario reducir la resistencia del perfil del ala reduciendo su grosor ("aplanar" el perfil), pero al mismo tiempo es necesario mantener sus características de peso y resistencia. La solución fue encontrada por el ingeniero estadounidense Richard Whitcomb. Propuso hacer un socavado cónico en la superficie inferior de la parte trasera del ala (una pequeña curva suave de la "cola" del ala hacia abajo). El flujo que se expande en la socavación compensó el cambio en el enfoque aerodinámico. El uso de perfiles aplanados con una parte posterior curva permite distribuir uniformemente la presión a lo largo de la cuerda del perfil y, por lo tanto, conduce a un desplazamiento hacia atrás del centro de presión, y también aumenta el número de Mach crítico en un 10-15%. Dichos perfiles comenzaron a llamarse supercríticos (supercríticos). Muy rápidamente, evolucionaron a perfiles supercríticos de segunda generación: la parte frontal se acercaba a la simetría y la socavación se intensificó. Sin embargo, se detuvo un mayor desarrollo en esta dirección: un recorte aún más fuerte hizo que el borde de fuga fuera demasiado delgado en términos de resistencia. Otra desventaja del ala supercrítica de segunda generación era el momento de picado, que tenía que pararse con una carga en la cola horizontal. Como no se puede cortar por detrás, hay que cortar por delante: la solución fue tan ingeniosa como sencilla: aplicaron un recorte en la parte inferior delantera del alerón y lo redujeron en la parte trasera. Aquí hay una breve historia de la evolución de los perfiles aerodinámicos en imágenes. Los perfiles supercríticos se utilizan en la aviación de pasajeros y proporcionan la mejor relación entre economía, peso estructural y velocidad de vuelo.
Posición de la aleta (de arriba a abajo)
Se utiliza un diseño de ala plegable cuando se quiere reducir las dimensiones cuando el avión está estacionado. La mayoría de las veces, dicha aplicación se encuentra en la aviación basada en portaaviones ( Su-33 , Yak-38 , F-18 , Bell V-22 Osprey ), pero a veces también se considera para aviones de pasajeros ( KR-860 , Boeing 777X ) .
De acuerdo con el esquema de poder estructural, las alas se dividen en armadura, larguero, cajón.
El diseño de un ala de este tipo incluye una armadura espacial que percibe factores de fuerza, costillas y una piel que transfiere la carga aerodinámica a las costillas. El esquema de potencia estructural del truss del ala no debe confundirse con una estructura de largueros, incluidos los largueros y (o) las nervaduras de la estructura del truss. Actualmente, las alas de truss prácticamente no se usan en los aviones, pero se usan mucho en las alas delta .
El ala de larguero incluye uno o más elementos de potencia longitudinal - largueros , que perciben el momento de flexión [15] . Además de los largueros, las paredes longitudinales pueden estar presentes en tal ala. Se diferencian de los largueros en que los paneles de revestimiento con el conjunto de largueros están unidos a los largueros. Los largueros transfieren la carga a las estructuras del fuselaje de la aeronave utilizando nodos de momento [16] .
En el ala del cajón, la carga principal la llevan tanto los largueros como el revestimiento. En el límite, los largueros degeneran en los muros y el momento de flexión es absorbido completamente por los paneles de revestimiento. En este caso, el diseño se llama monobloque . Los paneles de potencia incluyen revestimiento y un conjunto de refuerzo en forma de largueros o corrugaciones . El conjunto de refuerzo sirve para que no haya pérdida de estabilidad de la piel por compresión y trabaja en tensión-compresión junto con la piel. El diseño del ala del cajón requiere una sección central , a la que se unen las consolas del ala. Las consolas laterales se unen a la sección central mediante una junta de contorno, lo que garantiza la transferencia de factores de fuerza en todo el ancho del panel.
Los primeros estudios teóricos y resultados importantes para un ala de envergadura infinita fueron realizados a finales del siglo XIX y XX por los científicos rusos N. Zhukovsky , S. Chaplygin , el alemán M. Kutta y el inglés F. Lanchester . El trabajo teórico para un ala real fue iniciado por el alemán L. Prandtl .
Entre los resultados que obtuvieron están:
