Un ala cerrada es un ala que efectivamente tiene dos planos principales que se fusionan en sus extremos de modo que no hay puntas de ala convencionales . Los diseños de alas cerradas incluyen el ala anular (comúnmente conocida como ala cilíndrica o ala de anillo ), el ala unida, el ala de caja y los dispositivos de punta espiroide. [1]
Al igual que muchos dispositivos de punta de ala , el ala cerrada tiene como objetivo reducir los efectos derrochadores asociados con los vórtices de punta de ala que se producen en las puntas de las alas convencionales. Aunque el ala cerrada no tiene la particularidad de ofrecer tales beneficios, muchos diseños de alas cerradas sí ofrecen ventajas estructurales sobre un monoplano voladizo convencional .
Los vórtices de las puntas de las alas forman un componente importante de la turbulencia de la estela y están asociados con la resistencia inducida , que contribuye significativamente a la resistencia total en la mayoría de los regímenes. Un ala cerrada evita la necesidad de puntas de las alas y, por lo tanto, se podría esperar que reduzca los efectos de la resistencia de las puntas de las alas .
Además de las posibles ventajas estructurales sobre las alas voladizas abiertas, las superficies de las alas cerradas tienen algunas propiedades aerodinámicas únicas:
El resultado es que, si bien los sistemas cerrados pueden producir grandes reducciones de la resistencia inducida en relación con un ala plana convencional, no existe ninguna ventaja aerodinámica significativa que se acumule únicamente en el hecho de que sean cerrados en lugar de abiertos. [1]
Se han descrito varios tipos de ala cerrada:
Un ejemplo temprano de ala cerrada fue el avión Blériot III , construido en 1906 por Louis Blériot y Gabriel Voisin . Las superficies sustentadoras comprendían dos alas anulares montadas en tándem. El posterior Blériot IV reemplazó el ala anular delantera por un biplano y agregó un plano delantero canard para convertirlo en un avión de tres superficies . Podía despegar del suelo en pequeños saltos antes de sufrir daños irreparables.
Basándose en el trabajo de GJA Kitchen, Cedric Lee y G. Tilghman Richards construyeron y volaron varios aviones de ala anular en los que los segmentos delantero y trasero estaban al mismo nivel. El primero fue un biplano. Le siguieron una serie de monoplanos, el último de los cuales permaneció en uso hasta 1914. [3]
En 1944, el diseñador alemán Ernst Heinkel comenzó a trabajar en un monoplaza multifunción VTOL de ala anular llamado Lerche , pero el proyecto pronto fue abandonado. [4]
Durante la década de 1950, la empresa francesa SNECMA desarrolló el Coléoptère , un avión monoplaza de despegue y aterrizaje vertical de ala anular. El avión demostró ser peligrosamente inestable a pesar del desarrollo y las pruebas de varios prototipos, y el diseño fue abandonado. [5] Las propuestas posteriores de diseños de ala cerrada incluyeron el Sistema Avanzado de Apoyo Aéreo de Fuego (AAFSS) Convair Modelo 49 y el concepto de "Ala en Anillo" de Lockheed de la década de 1980. [ cita requerida ]
El Dr. Julian Wolkovitch continuó desarrollando la idea en la década de 1980, afirmando que era una disposición estructural eficiente en la que la cola horizontal proporcionaba soporte estructural para el ala y actuaba además como superficie estabilizadora. [6] [7] [8]
El winglet Spiroid, un diseño que Aviation Partners está desarrollando actualmente , es una superficie de ala cerrada montada en el extremo de un ala convencional. La compañía anunció que los winglets instalados en un Gulfstream II redujeron el consumo de combustible en la fase de crucero en más del 10%. [9] [10]
La compañía finlandesa FlyNano voló un prototipo de avión ultraligero de ala cerrada , el FlyNano Nano, el 11 de junio de 2012. [11] [12]
El avión experimental OW-1, construido en Bielorrusia, ha sido, desde su vuelo inaugural en 2007, el único avión tripulado de ala cerrada anular que ha mantenido con éxito un vuelo horizontal estable. Las pruebas de vuelo demostraron que los aviones de ala cerrada anular se ven menos afectados por el viento cruzado que los aviones con otras configuraciones de alas . [13]
Algunos ejemplos modernos diversos incluyen:
Las alas cerradas siguen confinadas en su mayor parte al ámbito de los estudios y diseños conceptuales, ya que los desafíos de ingeniería de desarrollar un ala cerrada fuerte y autoportante para su uso en los grandes aviones de pasajeros que se beneficiarían más de los aumentos en la eficiencia aún deben superarse.
El ala cerrada también se utiliza en el agua, para las aletas de las tablas de surf del tipo también conocido como aleta de túnel . [15]
Durante 2011, el Proyecto de Aviación Ambientalmente Responsable de la Dirección de Misiones de Investigación Aeronáutica de la NASA invitó a presentar propuestas de estudios para cumplir con el objetivo de la NASA de reducir el consumo futuro de combustible de las aeronaves en un 50% en comparación con 1998. Lockheed Martin propuso un diseño de ala en forma de caja junto con otras tecnologías avanzadas. [16] [17]
En 1924, el aerodinámico alemán Ludwig Prandtl sugirió que un ala en forma de caja, en determinadas condiciones, podría proporcionar la resistencia inducida mínima para una sustentación y una envergadura dadas. [18] En su diseño, dos alas horizontales desplazadas tienen alas verticales que conectan sus puntas y están diseñadas para proporcionar una distribución lineal de las fuerzas laterales. Se dice que la configuración ofrece una eficiencia mejorada para una gama de aeronaves.
En la década de 1980, el Ligeti Stratos utilizó este enfoque. [19] [20] El nombre "PrandtlPlane" fue acuñado en la década de 1990 en una investigación de Aldo Frediani et al. de la Universidad de Pisa . [21] Actualmente también se utiliza en algunos aviones ultraligeros . [22]
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IDINTOS [22] (IDrovolante INnovativo TOScano) es un proyecto de investigación cofinanciado por el gobierno regional de Toscana (Italia) en 2011 con el fin de diseñar y fabricar un avión ultraligero anfibio PrandtlPlane. El proyecto de investigación ha sido llevado a cabo por un consorcio de socios públicos y privados toscanos, liderado por la Sección Aeroespacial del Departamento de Ingeniería Civil e Industrial de la Universidad de Pisa, y ha dado como resultado la fabricación de un prototipo de avión ultraligero anfibio de dos plazas. [23]
También se afirma que esta configuración es teóricamente eficiente para aviones de fuselaje ancho. El avión comercial más grande, el Airbus A380 , debe hacer concesiones en términos de eficiencia para mantener la envergadura por debajo del límite de 80 metros en la mayoría de los aeropuertos, pero un ala cerrada con una envergadura óptima podría ser más corta que la de los diseños convencionales, lo que potencialmente permitiría que aviones incluso más grandes utilicen la infraestructura actual. [24]
El ala en forma de C es una configuración teórica en la que se elimina gran parte de la sección central superior de un ala en forma de caja, lo que crea un ala que se pliega hacia arriba y hacia abajo en las puntas, pero que no se vuelve a unir en el centro. Un ala en forma de C puede lograr casi el mismo rendimiento de resistencia inducida que un ala en forma de caja correspondiente, como lo demuestran los cálculos que se ilustran a continuación. [25]
Cada una de las primeras tres filas de la ilustración muestra una configuración diferente de ala C a medida que se lleva a cabo una secuencia de cálculos teóricos de resistencia inducida en los que las puntas de las alas se acercan entre sí, culminando en el caso límite de la derecha, donde el espacio se ha llevado a cero y la configuración se ha convertido en un ala de caja cerrada (denominada "ala C cuasi cerrada" porque los cálculos se llevaron a cabo en el límite cuando el espacio se redujo a cero).
El parámetro ε es la relación de eficiencia aerodinámica óptima [25] y representa la relación entre la eficiencia aerodinámica de un ala no plana dada y la eficiencia correspondiente de un ala voladiza clásica de referencia con la misma envergadura y sustentación total. Ambas eficiencias se evalúan para sus respectivas distribuciones de sustentación óptimas. Los valores de ε mayores que 1 indican una resistencia inducida menor que la de un ala voladiza clásica para la cual ε = 1. [25]
Obsérvese que todas las configuraciones de ala C tienen ε mayor que 1 y que hay poca diferencia (ninguna diferencia de dos decimales en dos de los casos) entre una configuración con un espacio sustancial (la segunda entrada en cada fila) y la configuración cerrada correspondiente (la tercera entrada en cada fila). Esto se debe a que la carga de sustentación óptima calculada para los casos cuasi cerrados es muy pequeña sobre la sección central superior, y esa parte del ala se puede quitar con pocos cambios en la sustentación o la resistencia.
Las distribuciones de sustentación que se muestran aquí para los casos cuasi cerrados parecen diferentes de las que se muestran típicamente para las alas de caja en la literatura clásica (ver Durand, figura 81, por ejemplo). [2] La solución clásica en Durand se obtuvo mediante un análisis de mapeo conforme que se formuló de una manera que condujo a cargas ascendentes iguales en los paneles horizontales de la caja. Pero la distribución óptima de sustentación no es única. [1] Se puede agregar una carga interna constante (que corresponde a una circulación constante particular) a una carga clásica como la que muestra Durand para obtener una carga como las de los casos cuasi cerrados a continuación. Los dos métodos de análisis dan versiones de apariencia diferente de la carga óptima que no son fundamentalmente diferentes. Excepto por pequeñas diferencias debido al método numérico utilizado para los casos cuasi cerrados, los dos tipos de carga son, en principio, solo versiones desplazadas una de la otra.