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 anular ), el ala unida, el ala de caja y los dispositivos de punta espiroide. [1]
Como 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 ocurren en las puntas de las alas convencionales. Aunque el ala cerrada no tiene ningún derecho único sobre tales beneficios, muchos diseños de ala cerrada ofrecen ventajas estructurales sobre un monoplano voladizo convencional .
Los vórtices de las puntas de las alas forman un componente importante de la estela turbulenta 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 ala y, por lo tanto, se podría esperar que reduzca los efectos de resistencia al arrastre de las puntas de las alas .
Además de las posibles ventajas estructurales sobre las alas abiertas en voladizo, las superficies de las alas cerradas tienen algunas propiedades aerodinámicas únicas:
El resultado es que, aunque 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 derive únicamente de que estén cerrados en lugar de abiertos. [1]
Se han descrito varios tipos de ala cerrada:
Un ejemplo temprano de ala cerrada se encontraba en el avión Blériot III , construido en 1906 por Louis Blériot y Gabriel Voisin . Las superficies de elevación comprendían dos alas anulares montadas en tándem. El posterior Blériot IV reemplazó el ala anular delantera con un biplano y añadió un plano delantero canard para convertirlo en un avión de tres superficies . Pudo abandonar el suelo con 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 alas anulares en los que los segmentos delantero y trasero estaban al mismo nivel. El primero fue un biplano. Le siguió una serie de monoplanos, el último de la línea que permaneció en uso hasta 1914. [3]
En 1944, el diseñador alemán Ernst Heinkel comenzó a trabajar en un monoplaza polivalente 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 VTOL de ala anular unipersonal . El avión resultó peligrosamente inestable a pesar del desarrollo y prueba de varios prototipos, y el diseño fue abandonado. [5] Las propuestas posteriores para diseños de ala cerrada incluyeron el Sistema avanzado de soporte de fuego aéreo (AAFSS) Convair Modelo 49 y el concepto Lockheed "Ring Wing" de la década de 1980. [ cita necesaria ]
El Dr. Julian Wolkovitch continuó desarrollando la idea en la década de 1980, afirmando que se trataba de una disposición estructural eficiente en la que la cola horizontal proporcionaba soporte estructural para el ala además de actuar como una superficie estabilizadora. [6] [7] [8]
El ala Spiroid , un diseño actualmente en desarrollo por Aviation Partners , 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 de un 10%. [9] [10]
La empresa 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 , desde su vuelo inaugural en 2007, ha sido 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 con alas anulares cerradas se ven menos afectados por el viento cruzado que los aviones con otras configuraciones de alas . [13]
Varios ejemplos modernos incluyen:
Las alas cerradas siguen estando confinadas en su mayor parte al ámbito de los estudios y diseños conceptuales, ya que aún no se han superado los desafíos de ingeniería que supone desarrollar un ala cerrada fuerte y autoportante para su uso en los grandes aviones de pasajeros que se beneficiarían más de los aumentos de eficiencia.
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 propuestas de estudio para cumplir el objetivo de la NASA de reducir el consumo futuro de combustible de los aviones en un 50% en comparación con 1998. Lockheed Martin propuso un diseño de ala en caja junto con otras tecnologías avanzadas. [16] [17]
En 1924, el aerodinámico alemán Ludwig Prandtl sugirió que un ala de caja, bajo ciertas condiciones, podría proporcionar la resistencia inducida mínima para una sustentación y envergadura determinadas. [18] En su diseño, dos alas horizontales desplazadas tienen alas verticales que conectan sus puntas y tienen forma para proporcionar una distribución lineal de las fuerzas laterales. Se dice que la configuración ofrece una eficiencia mejorada para una variedad de aviones.
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 PrandtlPlane anfibio ultraligero. 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 VLA biplaza. [23]
También se afirma que la configuración es teóricamente eficiente para aviones de pasajeros de fuselaje ancho. El avión comercial más grande, el Airbus A380 , debe hacer concesiones 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 aviones aún más grandes. utilizar la infraestructura actual. [24]
El ala C es una configuración teórica en la que se elimina gran parte de la sección central superior de un ala de caja, creando un ala que se pliega hacia arriba y hacia arriba en las puntas pero que no se vuelve a unir en el centro. Un ala C puede lograr casi el mismo rendimiento de resistencia inducida que un ala de caja correspondiente, como lo muestran los cálculos que se ilustran a continuación. [25]
Cada una de las tres primeras filas de la ilustración muestra una configuración diferente del ala C a través de una secuencia de cálculos teóricos de resistencia inducida en los que las puntas de las alas se acercan, culminando en el caso límite de la derecha, donde la brecha 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 la brecha llegó 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 en voladizo clásica de referencia con la misma envergadura y sustentación total. Ambas eficiencias se evalúan para sus respectivas distribuciones óptimas de sustentación. Valores de ε mayores que 1 indican una resistencia inducida menor que la de un ala en voladizo clásica para la cual ε = 1. [25]
Tenga en cuenta que todas las configuraciones del ala C tienen ε mayor que 1 y que hay poca diferencia (ninguna diferencia con los dos decimales que se muestran en dos de los casos) entre una configuración con una brecha 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 casi cerrados es muy pequeña en la sección central superior, y esa parte del ala se puede eliminar con pocos cambios en la sustentación o la resistencia.
Las distribuciones de elevación que se muestran aquí para las cajas casi cerradas se ven diferentes de las que normalmente se muestran para las alas de las cajas 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 resultó estar formulado de una manera que conducía a cargas ascendentes iguales en los paneles horizontales de la caja. Pero la distribución óptima de la elevación no es única. [1] Se puede agregar una carga interna constante (correspondiente a una circulación constante particular) a una carga clásica como la mostrada por Durand para obtener una carga como las de los casos cuasi cerrados siguientes. Los dos métodos de análisis dan versiones diferentes de la carga óptima que no son fundamentalmente diferentes. Excepto por pequeñas diferencias debidas al método numérico utilizado para los casos casi cerrados, los dos tipos de carga son, en principio, versiones desplazadas entre sí.