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En el diseño de aeronaves y la ingeniería aeroespacial , un dispositivo de alta sustentación es un componente o mecanismo en el ala de una aeronave que aumenta la cantidad de sustentación producida por el ala. El dispositivo puede ser un componente fijo o un mecanismo móvil que se despliega cuando es necesario. Los dispositivos de alta sustentación móviles más comunes incluyen flaps y slats de ala . Los dispositivos fijos incluyen ranuras de borde de ataque , extensiones de raíz de borde de ataque y sistemas de control de capa límite .
El tamaño y la capacidad de elevación de un ala fija se eligen como un compromiso entre diferentes requisitos. Por ejemplo, un ala más grande proporcionará más sustentación y reducirá la distancia y las velocidades requeridas para el despegue y el aterrizaje, pero aumentará la resistencia, lo que reduce el rendimiento durante la parte de crucero del vuelo. Los diseños de alas de los aviones de pasajeros modernos están optimizados para la velocidad y la eficiencia durante la parte de crucero del vuelo, ya que es donde la aeronave pasa la gran mayoría de su tiempo de vuelo. Los dispositivos de alta sustentación compensan esta desventaja de diseño al agregar sustentación en el despegue y el aterrizaje, lo que reduce la distancia y la velocidad necesarias para aterrizar la aeronave de manera segura y permite el uso de un ala más eficiente en vuelo. Los dispositivos de alta sustentación del Boeing 747-400 , por ejemplo, aumentan el área del ala en un 21% y aumentan la sustentación generada en un 90%. [1]
El dispositivo de sustentación más común es el flap, una parte móvil del ala que se puede bajar para producir sustentación adicional. Cuando se baja un flap, esto cambia la forma de la sección del ala para darle más curvatura . Los flaps generalmente se ubican en el borde de salida del ala, mientras que los flaps del borde de ataque se usan ocasionalmente. Hay muchos tipos de flaps de borde de salida.
Los flaps con bisagras simples comenzaron a usarse comúnmente en la década de 1930, junto con la llegada del moderno monoplano rápido que tenía velocidades de aterrizaje y despegue más altas que los antiguos biplanos.
En el flap dividido, la superficie inferior gira hacia abajo mientras que la superficie superior permanece fija al ala o se mueve independientemente.
Los flaps móviles también se extienden hacia atrás para aumentar la cuerda del ala cuando se despliegan, aumentando así el área del ala para ayudar a producir aún más sustentación. Estos flaps comenzaron a aparecer justo antes de la Segunda Guerra Mundial debido a los esfuerzos de muchas personas y organizaciones diferentes en las décadas de 1920 y 1930.
Los flaps ranurados están compuestos por varios perfiles aerodinámicos pequeños e independientes que se separan, se articulan e incluso se deslizan uno sobre el otro cuando se despliegan. Este tipo de complejos arreglos de flaps se encuentran en muchos aviones modernos. [2] Los grandes aviones de pasajeros modernos utilizan flaps de triple ranura para producir la enorme sustentación necesaria durante el despegue.
Otro dispositivo de alta sustentación común es el slat, un pequeño dispositivo con forma de perfil aerodinámico fijado justo delante del borde de ataque del ala. El slat redirige el flujo de aire en la parte delantera del ala, lo que permite que fluya más suavemente sobre la superficie superior cuando está en un ángulo de ataque alto . Esto permite que el ala se opere de manera efectiva en los ángulos más altos necesarios para producir más sustentación. Una ranura es el espacio entre el slat y el ala. [3] El slat puede estar fijo en su posición, con una ranura permanentemente en su lugar detrás de él, o puede ser retráctil para que la ranura esté cerrada cuando no sea necesaria. Si es fijo, puede aparecer como una parte normal del borde de ataque de un ala, con la ranura enterrada en la superficie del ala inmediatamente detrás de él.
Un slat o ranura puede ser de envergadura completa o puede colocarse solo en una parte del ala (generalmente en el exterior), dependiendo de cómo se deban modificar las características de sustentación para lograr un buen control a baja velocidad. Las ranuras y los slats a veces se usan solo para la sección frente a los alerones, lo que garantiza que cuando el resto del ala entre en pérdida, los alerones permanezcan utilizables.
Los primeros slats fueron desarrollados por Gustav Lachmann en 1918 y simultáneamente por Handley-Page, quien recibió una patente en 1919. En la década de 1930 se habían desarrollado slats automáticos, que se abrían o cerraban según fuera necesario según las condiciones de vuelo. Por lo general, se accionaban mediante la presión del flujo de aire contra el slat para cerrarlo y pequeños resortes para abrirlo a velocidades más lentas cuando la presión dinámica se reducía, por ejemplo, cuando la velocidad caía o el flujo de aire alcanzaba un ángulo de ataque predeterminado en el ala.
Los sistemas modernos, como los flaps modernos, pueden ser más complejos y normalmente se despliegan hidráulicamente o con servomotores. [4] [5] [6]
Los sistemas de alta sustentación motorizados generalmente utilizan el flujo de aire del motor para dar forma al flujo de aire sobre el ala, reemplazando o modificando la acción de los flaps. Los flaps soplados toman el " aire purgado " del compresor del motor a reacción o del escape del motor y lo soplan sobre la superficie superior trasera del ala y el flap, reenergizando la capa límite y permitiendo que el flujo de aire permanezca unido en ángulos de ataque más altos. Una versión más avanzada del flap soplado es el ala de control de circulación , un mecanismo que expulsa aire hacia atrás sobre un perfil aerodinámico especialmente diseñado para crear sustentación a través del efecto Coandă . El Blackburn Buccaneer tenía un sofisticado sistema de control de capa límite (BLC) que implicaba aire de compresor soplado sobre las alas y el plano de cola para reducir la velocidad de pérdida y facilitar las operaciones desde portaaviones más pequeños.
Otro enfoque es utilizar el flujo de aire de los motores directamente, colocando un flap de manera que se despliegue en la trayectoria del escape. Estos flaps requieren mayor fuerza debido a la potencia de los motores modernos y también mayor resistencia al calor del escape caliente, pero el efecto en la sustentación puede ser significativo. Algunos ejemplos incluyen el C-17 Globemaster III .
Más común en los aviones de combate modernos , pero también visto en algunos modelos civiles, es la extensión de la raíz del borde de ataque (LERX), a veces llamada simplemente extensión del borde de ataque (LEX). Una LERX generalmente consiste en un pequeño filete triangular unido a la raíz del borde de ataque del ala y al fuselaje. En vuelo normal, la LERX genera poca sustentación. Sin embargo, en ángulos de ataque más altos, genera un vórtice que se coloca sobre la superficie superior del ala principal. La acción giratoria del vórtice aumenta la velocidad del flujo de aire sobre el ala, lo que reduce la presión y proporciona una mayor sustentación. Los sistemas LERX se destacan por los ángulos potencialmente grandes en los que son efectivos.
Un ala Co-Flow Jet (CFJ) tiene una superficie superior con una ranura de inyección después del borde de ataque y una ranura de succión antes del borde de salida, para aumentar la sustentación, aumentar el margen de pérdida y reducir la resistencia. CFJ es promovido por el departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Miami . Para un avión regional híbrido-eléctrico basado en el ATR 72 con la misma área de ala, tamaño y peso, CFJ mejora su coeficiente de sustentación de crucero para una mayor carga alar , lo que permite más combustible y baterías para un mayor alcance. [7]
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