Carga del ala

Masa total dividida por el área del ala

La mariposa monarca tiene una carga alar muy baja de 0,168 kg/m2 ^.

El McDonnell Douglas MD-11 tiene una carga alar máxima de 837 kg/m2 ^.

En aerodinámica , la carga alar es el peso total de una aeronave o animal volador dividido por el área de su ala. ^{[1] [a]} La velocidad de pérdida , la velocidad de despegue y la velocidad de aterrizaje de una aeronave están determinadas en parte por su carga alar. ^[2]

Cuanto más rápido vuela un avión, más cambia su sustentación al cambiar el ángulo de ataque, por lo que un ala más pequeña se ve menos afectada por las ráfagas verticales . En consecuencia, los aviones más rápidos generalmente tienen cargas alares más altas que los aviones más lentos para evitar una respuesta excesiva a las ráfagas verticales. ^[3]

Una mayor carga alar también reduce la maniobrabilidad. Las mismas limitaciones se aplican a los organismos biológicos alados.

Rango de cargas alares

Efecto sobre el rendimiento

La carga alar es una medida útil de la velocidad de pérdida de sustentación de un avión. Las alas generan sustentación debido al movimiento del aire alrededor del ala. Las alas más grandes mueven más aire, por lo que un avión con una gran superficie alar en relación con su masa (es decir, una carga alar baja) tendrá una velocidad de pérdida de sustentación menor. Por lo tanto, un avión con una carga alar menor podrá despegar y aterrizar a una velocidad menor (o podrá despegar con una carga mayor). También podrá girar a una velocidad mayor.

Efecto sobre las velocidades de despegue y aterrizaje

La fuerza de sustentación L en un ala de área A , que viaja a una velocidad aerodinámica verdadera v, está dada por

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L}}$,

donde ρ es la densidad del aire y C _L es el coeficiente de sustentación . El coeficiente de sustentación es un número adimensional que depende del perfil de la sección transversal del ala y del ángulo de ataque . ^[12] En vuelo estable, ni ascendiendo ni descendiendo, la fuerza de sustentación y el peso son iguales. Con L/A = Mg/A = W _S g , donde M es la masa de la aeronave, W _S = M / A la carga del ala (en unidades de masa/área, es decir, lb/ft ² o kg/m ² , no fuerza/área) y g la aceleración debida a la gravedad, esa ecuación da la velocidad v a través de ^[13]

${\displaystyle \textstyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}}$.

En consecuencia, los aviones con la misma C _L en el despegue bajo las mismas condiciones atmosféricas tendrán velocidades de despegue proporcionales a . Por lo tanto, si el área del ala de un avión se incrementa en un 10% y no se cambia nada más, la velocidad de despegue disminuirá aproximadamente un 5%. Del mismo modo, si un avión diseñado para despegar a 150 mph aumenta de peso durante el desarrollo en un 40%, su velocidad de despegue aumenta a = 177 mph. ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {W_{S}}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle 150{\sqrt {1.4}}}$

Algunos voladores dependen de su fuerza muscular para ganar velocidad y poder despegar sobre tierra o agua. Las aves que anidan en el suelo y las aves acuáticas deben poder correr o remar a su velocidad de despegue antes de poder despegar. Lo mismo sucede con un piloto de ala delta, aunque puede recibir ayuda de una carrera cuesta abajo. Para todos ellos, una W _S baja es fundamental, mientras que los paseriformes y las aves que habitan en acantilados pueden elevarse en el aire con cargas alares más altas.

Efecto sobre el rendimiento de giro

Para girar, un avión debe rodar en la dirección del viraje, aumentando el ángulo de inclinación del avión . El vuelo en viraje reduce el componente de sustentación del ala contra la gravedad y, por lo tanto, provoca un descenso. Para compensar, la fuerza de sustentación debe aumentarse aumentando el ángulo de ataque mediante el uso de la deflexión del elevador hacia arriba , lo que aumenta la resistencia. El viraje se puede describir como "subir alrededor de un círculo" (la sustentación del ala se desvía para girar el avión), por lo que el aumento del ángulo de ataque del ala crea aún más resistencia. Cuanto más cerrado sea el radio de viraje intentado, más resistencia se induce; esto requiere que se agregue potencia (empuje) para superar la resistencia. La velocidad máxima de viraje posible para un diseño de avión determinado está limitada por el tamaño de su ala y la potencia disponible del motor: el viraje máximo que el avión puede lograr y mantener es su rendimiento de viraje sostenido . A medida que aumenta el ángulo de inclinación, también lo hace la fuerza g aplicada al avión, lo que tiene el efecto de aumentar la carga alar y también la velocidad de pérdida . Este efecto también se experimenta durante las maniobras de cabeceo nivelado . ^[14]

Factor de carga que varía con la altitud a 50 o 100 lb/pie cuadrado

Como el estancamiento se debe a la carga alar y al coeficiente de sustentación máximo a una altitud y velocidad dadas, esto limita el radio de giro debido al factor de carga máximo . A Mach 0,85 y un coeficiente de sustentación de 0,7, una carga alar de 50 lb/pie cuadrado (240 kg/m ² ) puede alcanzar un límite estructural de 7,33 g hasta 15 000 pies (4600 m) y luego disminuye a 2,3 g a 40 000 pies (12 000 m). Con una carga alar de 100 lb/pie cuadrado (490 kg/m ² ) el factor de carga es dos veces menor y apenas alcanza 1 g a 40 000 pies. ^[15]

Los aviones con cargas alares bajas tienden a tener un rendimiento superior en virajes sostenidos porque pueden generar más sustentación para una cantidad dada de empuje del motor. El ángulo de inclinación inmediato que puede alcanzar un avión antes de que la resistencia disminuya seriamente la velocidad aerodinámica se conoce como su rendimiento de viraje instantáneo . Un avión con un ala pequeña y muy cargada puede tener un rendimiento superior en virajes instantáneos, pero un rendimiento deficiente en virajes sostenidos: reacciona rápidamente a la entrada de control, pero su capacidad para mantener un viraje cerrado es limitada. Un ejemplo clásico es el F-104 Starfighter , que tiene un ala muy pequeña y una carga alar elevada de 723 kg/m2 ⁽ 148 lb/sq ft).

En el extremo opuesto del espectro se encontraba el gran Convair B-36 : sus grandes alas daban como resultado una baja carga alar de 269 kg/m2 ⁽ 55 lb/sq ft) que podía permitirle mantener virajes más cerrados a gran altitud que los cazas a reacción contemporáneos, mientras que el Hawker Hunter , ligeramente posterior, tenía una carga alar similar de 344 kg/m2 ⁽ 70 lb/sq ft). El prototipo de avión de pasajeros Boeing 367-80 podía rodar a bajas altitudes con una carga alar de 387 kg/m2 ⁽ 79 lb/sq ft) con el peso máximo.

Como cualquier cuerpo en movimiento circular , una aeronave que es lo suficientemente rápida y fuerte como para mantener un vuelo nivelado a una velocidad v en un círculo de radio R acelera hacia el centro a . Esa aceleración es causada por el componente horizontal interno de la sustentación, , donde es el ángulo de inclinación. Luego, de la segunda ley de Newton , ${\displaystyle \scriptstyle {\frac {v^{2}}{R}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle Lsin\theta }$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \textstyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$

Resolviendo para R obtenemos

${\displaystyle \textstyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$

Cuanto menor sea la carga alar, más cerrado será el viraje.

Los planeadores diseñados para aprovechar las corrientes térmicas necesitan un pequeño radio de giro para permanecer dentro de la columna de aire ascendente, y lo mismo sucede con las aves que planean. Otras aves, por ejemplo las que atrapan insectos en el aire, también necesitan una gran maniobrabilidad. Todas necesitan cargas alares bajas.

Efecto sobre la estabilidad

La carga alar también afecta la respuesta a las ráfagas , el grado en que el avión se ve afectado por la turbulencia y las variaciones en la densidad del aire. Un ala pequeña tiene menos área sobre la que puede actuar una ráfaga, lo que sirve para suavizar el vuelo. Para vuelos a alta velocidad y a baja altura (como un bombardeo rápido a baja altura en un avión de ataque ), es preferible un ala pequeña, delgada y muy cargada: los aviones con una carga alar baja a menudo están sujetos a un vuelo duro y castigador en este régimen de vuelo. El F-15E Strike Eagle tiene una carga alar de 650 kilogramos por metro cuadrado (130 lb/pie cuadrado) (excluyendo las contribuciones del fuselaje al área efectiva), mientras que la mayoría de los aviones de ala delta (como el Dassault Mirage III , para el cual W _S = 387 kg/m ² ) tienden a tener alas grandes y cargas alares bajas. ^{[ cita requerida ]}

Cuantitativamente, si una ráfaga produce una presión ascendente de G (en N/m ² , digamos) sobre un avión de masa M , la aceleración ascendente a , por la segunda ley de Newton , estará dada por

${\displaystyle \textstyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}}}$,

disminuyendo con la carga del ala.

Efecto del desarrollo

Otra complicación de la carga alar es que resulta difícil alterar sustancialmente el área alar de un diseño de avión existente (aunque es posible realizar mejoras modestas). A medida que se desarrollan los aviones, estos son propensos a un " aumento de peso ", es decir, la adición de equipos y características que aumentan sustancialmente la masa operativa del avión. Un avión cuya carga alar es moderada en su diseño original puede acabar teniendo una carga alar muy alta a medida que se añaden nuevos equipos. Aunque los motores se pueden sustituir o actualizar para obtener más empuje, los efectos sobre el rendimiento de giro y de despegue resultantes de una mayor carga alar no son tan fáciles de conciliar.

Uso de lastre de agua en planeadores

Los planeadores modernos suelen utilizar agua como lastre en las alas para aumentar la carga alar cuando las condiciones de vuelo son fuertes. Al aumentar la carga alar , se puede aumentar la velocidad promedio alcanzada en vuelo a campo traviesa para aprovechar las fuertes corrientes térmicas. Con una carga alar más alta, se logra una relación sustentación-resistencia dada a una velocidad aerodinámica más alta que con una carga alar más baja, y esto permite una velocidad promedio más rápida en vuelo a campo traviesa. El lastre se puede expulsar por la borda cuando las condiciones empeoran o antes del aterrizaje.

Consideraciones de diseño

Elevación del fuselaje

El F-15E Strike Eagle tiene un ala grande y relativamente poco cargada.

Un diseño de fuselaje-ala combinado como el que se encuentra en el General Dynamics F-16 Fighting Falcon o el Mikoyan MiG-29 Fulcrum ayuda a reducir la carga alar; en un diseño de este tipo, el fuselaje genera sustentación aerodinámica, mejorando así la carga alar y manteniendo un alto rendimiento.

Ala de barrido variable

Aviones como el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado emplean alas de barrido variable . Como el área de sus alas varía en vuelo, también lo hace la carga alar (aunque este no es el único beneficio). Cuando el ala está en posición adelantada, el rendimiento en el despegue y el aterrizaje mejora considerablemente. ^[16]

Aletas

Al igual que todos los flaps de aeronaves, los flaps Fowler aumentan la curvatura y, por lo tanto, el valor máximo del coeficiente de sustentación ( CLmax ₎ , lo que reduce la velocidad de aterrizaje. También aumentan el área del ala, lo que disminuye la carga alar, lo que reduce aún más la velocidad de aterrizaje. ^[17]

Los dispositivos de alta sustentación, como ciertos flaps, permiten la opción de utilizar alas más pequeñas en un diseño para lograr velocidades de aterrizaje similares en comparación con un diseño alternativo que utiliza un ala más grande sin un dispositivo de alta sustentación. Estas opciones permiten una mayor carga alar en un diseño. Esto puede resultar en características beneficiosas, como velocidades de crucero más altas o una reducción de los baches en vuelos a baja altitud a alta velocidad (esta última característica es muy importante para los roles de aeronaves de apoyo aéreo cercano). Por ejemplo, el Starfighter de Lockheed utiliza flaps internos Blown para lograr un diseño de alta carga alar (723 kg/m²) que le permite un vuelo a baja altitud mucho más suave a velocidades de aceleración máxima en comparación con los diseños delta de baja carga alar como el Mirage 2000 o el Mirage III (387 kg/m²). El F-16, que tiene una carga alar relativamente alta de 689 kg/m², utiliza extensiones de borde de ataque para aumentar la sustentación del ala en ángulos de ataque altos.

Véase también

• Carga de disco
• Coeficiente de sustentación
• Deformación del ala

Referencias

Notas

1. "Definición de carga alar". Merriam Webster.
2. "Capítulo 11: Rendimiento de la aeronave". Manual del piloto sobre conocimientos aeronáuticos (FAA-H-8083-25C ed.). Administración Federal de Aviación . 17 de julio de 2023. págs. 8-9.
3. Wragg, David W. (1973). Diccionario de aviación (primera edición). Osprey. pág. 281. ISBN 9780850451634.
4. Hendrik Tennekes (2009). La ciencia sencilla del vuelo: de los insectos a los aviones Jumbo. MIT Press. ISBN 978-0-262-51313-5., "Figura 2: El gran diagrama de vuelo".
5. Thomas Alerstam, Mikael Rosén, Johan Bäckman, Per G. P Ericson, Olof Hellgren (17 de julio de 2007). "Velocidades de vuelo entre especies de aves: efectos alométricos y filogenéticos". PLOS Biology . 5 (8): e197. doi : 10.1371/journal.pbio.0050197 . PMC 1914071 . PMID  17645390. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
6. Meunier, K. Korrelation und Umkonstruktionen in den Größenbeziehungen zwischen Vogelflügel und Vogelkörper-Biologia Generalis 1951: págs. [Artículo en alemán]
7. Gérard Florit (23 de enero de 2016). "Ozono Buzz Z3". P@r@2000 .
8. "Deporte 2/2C". Ala Wills.
9. "Sección 3 del Código deportivo: Vuelo sin motor". Federación Aeronáutica Internacional . 12 de octubre de 2016.
10. "Ultraligeros". Autoridad de Aviación Civil del Reino Unido. o una velocidad de pérdida con el peso máximo autorizado que no supere los 35 nudos de velocidad calibrada
11. Lloyd R. Jenkinson; Paul Simpkin; Darren Rhodes (30 de julio de 1999). "Archivo de datos de aeronaves". Diseño de aeronaves a reacción civiles . Elsevier Limited.
12. Anderson, 1999, pág. 58
13. Anderson, 1999 págs. 201-3
14. Spick, 1986. pág. 24.
15. Laurence K. Loftin Jr. (1985). "Capítulo 11 - Maniobrabilidad de las aeronaves". Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft (En busca del rendimiento: la evolución de las aeronaves modernas). División de información científica y técnica de la NASA.
16. Spick, 1986. págs. 84–87.
17. Anderson 1999, págs. 30-1

Bibliografía

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Rendimiento y diseño de aeronaves. Cambridge: WCB/McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Spick, Mike (1986). Rendimiento de aviones de combate: de Corea a Vietnam. Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1.

Notas

1. Para las aeronaves, esto incluye el área de los alerones . ^[2]
2. 138 especies desde 10 g hasta 10 kg, desde pequeños paseriformes hasta cisnes y grullas
3. con el peso máximo
4. legislación promulgada
5. para un avión terrestre de dos asientos
6. con el peso máximo

Enlaces externos

• Laurence K. Loftin Jr. (1985). "Capítulo 7: Tendencias de diseño: velocidad de pérdida, carga alar y coeficiente de sustentación máximo". Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft. División de información científica y técnica de la NASA.
• Earl L. Poole (1938). "Pesos y áreas de las alas en aves de América del Norte" (PDF) . El alca .