Un ala en tándem es una configuración de alas en la que una nave o un animal volador tiene dos o más pares de alas colocados uno detrás del otro. Todas las alas contribuyen a la sustentación .
El ala tándem se distingue del biplano en el que las alas están apiladas una sobre otra, o de la configuración canard o "cola primero", donde la superficie delantera es mucho más pequeña y no contribuye significativamente a la sustentación general.
En la aviación se ha experimentado durante mucho tiempo con alas en tándem, pero pocos diseños se han puesto en producción.
En la naturaleza, las alas en tándem sólo se dan en insectos y peces voladores, aunque en el pasado ha habido reptiles voladores con alas en tándem.
Una configuración de ala en tándem tiene dos planos de ala principales , uno ubicado hacia adelante y el otro hacia atrás. La diferencia es mayor que la cuerda del ala, por lo que hay un espacio claro entre ellos y el centro de gravedad (CG) de la aeronave se encuentra entre las alas. [1] En comparación con el diseño convencional, donde el plano de cola ejerce poca o ninguna fuerza vertical en vuelo de crucero, ambas alas en tándem contribuyen sustancialmente a la sustentación.
La configuración básica en tándem utiliza alas de igual tamaño y alineadas entre sí. Algunos ejemplos han volado con éxito, como el planeador Peyret de 1922. Sin embargo, el ala trasera suele colocarse por encima o por debajo del ala delantera, para evitar su estela turbulenta. A menudo, un ala se hace un poco más pequeña que la otra, según los detalles del diseño. De hecho, no hay líneas divisorias claras entre las configuraciones convencional y tándem, o entre tándem y canard . [2] La disposición de ala delantera alta y ala trasera baja también se considera a veces un biplano escalonado extremo y se denomina biplano Nénandovich. [3]
Los efectos de interferencia entre las dos alas pueden hacer que un diseño en tándem sea menos eficiente en crucero que el diseño convencional equivalente, sin embargo ejemplos como el Scaled Composites Proteus son capaces de lograr una eficiencia excepcional.
La disposición en tándem crea un "efecto de ranura" en el que el ala delantera desvía el aire hacia abajo sobre el ala trasera, reduciendo el ángulo de ataque (AoA) de la parte trasera. Con un AoA elevado, esto hace que el ala delantera se detenga primero, lo que permite un vuelo más seguro a bajas velocidades que la disposición convencional equivalente. También ofrece un buen rendimiento STOL. [1]
Las alas en tándem también se han utilizado en vehículos con efecto suelo , donde el alerón delantero se utiliza para dirigir el aire hacia abajo, debajo del alerón trasero, para crear un colchón de aire elevador.
En un ala en tándem, las fuerzas de sustentación en las dos alas están separadas longitudinalmente, lo que les permite actuar juntas para lograr estabilidad, control y equilibrio. Los mecanismos de estabilidad y control de un ala en tándem son similares a los de la disposición de cola primero o canard ; la diferencia está principalmente en el tamaño relativo de la superficie delantera. [4]
Sin embargo, las mayores fuerzas de compensación disponibles en comparación con un plano de cola o plano delantero más pequeños significan que un diseño en tándem puede ofrecer una mayor variedad de condiciones de compensación y, por lo tanto, de ubicación del centro de gravedad (CG) que otros diseños, lo que puede ofrecer una solución práctica donde las cargas y distribuciones de peso pueden variar durante las operaciones. Sin embargo, un amplio rango de CG conduce a otros problemas, incluido un diseño de tren de aterrizaje compatible y características de pérdida seguras. [1]
El ala unida es un diseño de ala en tándem en el que el ala delantera se inclina hacia atrás y/o el ala trasera se inclina hacia adelante de manera que se unen en o cerca de las puntas para formar una superficie continua en forma de diamante hueco o triángulo. [5] [6] El ala unida también es un ejemplo de ala cerrada .
El Ligeti Stratos es un raro ejemplar que ha volado. [7]
En un diseño convencional, el brazo de momento de la carga de elevación de la sección exterior es grande y esto genera tensión en la sección de la raíz. Sin embargo, en un diseño en tándem, cada ala es más pequeña y no existe carga exterior. Esto permite que la estructura del ala sea más liviana en general.
En un diseño convencional, el fuselaje se apoya en un solo lugar, con las secciones delantera y trasera del fuselaje en voladizo. Esto crea tensiones de flexión significativas. Un ala en tándem sostiene el mismo fuselaje en dos lugares, lo que reduce las tensiones de flexión. Sin embargo, las tensiones de torsión en la sección central entre las alas son mayores. [1]
Debido a que es más compacta, la estructura del ala en tándem es más rígida en general, lo que significa que se necesita menos tolerancia para la flexión y es posible un margen de seguridad menor en los niveles de estrés, lo que permite una reducción aún mayor de peso y costos. [1]
La configuración de alas en tándem es anterior a los vuelos tripulados exitosos. Ya en el siglo XV, Tito Livio Burraitni experimentó con un modelo de alas en tándem. Cuatro pares de alas en tándem proporcionaban sustentación y propulsión de diversas formas, y el gato de Burraitni se convirtió en el primer aeronauta en volar en un diseño en tándem. [1]
En 1903, Samuel Pierpont Langley, que también había volado modelos tándem más simples de hasta 4,3 m de envergadura, construyó un monoplano de ala en tándem de tamaño real, el Aerodrome , y lo lanzó desde el techo de una casa flotante. No logró volar. Después de su muerte, el Instituto Smithsoniano intentó demostrar que había volado en las semanas anteriores a los hermanos Wright y contrató al exitoso fabricante de aviones Glenn Curtiss para modificar en secreto el aeródromo hasta que pudiera volar, como "prueba" de que había volado en 1903. Curtiss agregó flotadores e hizo otras mejoras, lo que le permitió realizar saltos cortos como un verdadero hidroavión en 1914. El engaño finalmente fue descubierto, pero el Smithsonian todavía intentó afirmar que la versión de 1902 había sido "capaz de volar". Pasarían muchos años más antes de que se retractaran. [8]
Varios pioneros habían construido planeadores con éxito durante mucho tiempo. En 1905, John J. Montgomery voló un planeador monoplano en tándem, lo que confirmó que el principio aerodinámico era válido.
Dos años más tarde se inició el vuelo a motor. En 1906, Louis Blériot construyó su tercer avión con alas elípticas cerradas en tándem, que más tarde modificó como su Tipo IV con el ala delantera convertida en un biplano convencional. Pero no fue hasta el año siguiente cuando su Tipo VI , un monoplano en tándem con ruedas de configuración muy similar al Aerodrome de Langley, se convirtió en el primer avión de alas en tándem en volar.
Entre 1907 y 1911, los estudios aerodinámicos de Gustave Eiffel demostraron que el diseño en tándem era inherentemente menos eficiente aerodinámicamente que el más convencional. [4] Siguiendo el trabajo de Eiffel, Stefan Driezewicki desarrolló y probó en el túnel de viento un diseño de ala en tándem inherentemente estable. Luego construyó y voló con éxito un ejemplar de tamaño real a fines de 1912. [1]
Después de la Primera Guerra Mundial se siguieron construyendo aviones experimentales de ala biplaza.
El prototipo de hidroavión Caproni Ca.60 estaba formado por un largo casco para el transporte de pasajeros al que se habían unido en tándem tres pilas de alas triplano de la exitosa línea Ca.4 de bombarderos pesados y aviones de pasajeros, lo que le valió el apodo de "Capronissimo". Sin embargo, se rompió en su primer intento de despegue en 1921.
El primer tipo de ala en tándem totalmente controlable fue el planeador en tándem Peyret , de fabricación francesa , que ganó la primera competición británica de vuelo a vela en 1922. El novedoso sistema de control de Peyret comprendía superficies de borde de salida de envergadura completa en las cuatro alas. Estas operaban en pares a cada lado como alerones, en pares a proa y a popa como elevadores y sincronizadamente como flaps para el vuelo a baja velocidad. El sistema demostró ser eficaz y, a pesar de que el planeador era menos eficiente que los modelos convencionales de alta relación de aspecto, resultó más controlable y maniobrable. Esto permitió al piloto M. Maneyrol permanecer en corrientes ascendentes durante más tiempo que los demás. [4] Aunque Peyret continuó desarrollando el diseño, tanto en planeadores como en modelos a motor, siguieron siendo una curiosidad.
La SFCA continuó el trabajo de Peyret después de su muerte y adoptó su sistema de control. Su Taupin voló por primera vez en 1933. Su diseño resultó práctico y se fabricaron unos 52 ejemplares.
Mientras tanto, Henri Mignet estaba adoptando un enfoque muy diferente para el control del vuelo. Su Pou-du-Ciel (pulga voladora), pensado para que lo construyeran aficionados en casa, tenía un novedoso sistema de control de dos ejes para facilitar su vuelo. No se necesitaban alerones porque cuando se operaba el timón, el acoplamiento de balanceo y guiñada aseguraba que el avión se inclinara para realizar un viraje. Para controlar el cabeceo, toda el ala delantera se inclinaba para actuar como un elevador de canard. Introducido prácticamente al mismo tiempo que el Taupin, se convirtió en una moda, se construyeron cientos y se desarrollaron variaciones en muchos países. Sin embargo, los problemas de estabilidad relacionados con el ala delantera variable podían provocar accidentes letales en manos del piloto novato, y el modelo finalmente cayó en desgracia.
A finales de los años 30, Maurice Delanne trabajaba en diseños de alas en tándem. Propuso un caza, el Delanne 10, con un ala delantera en forma de gaviota y dos aletas en las puntas del ala trasera baja y de envergadura ligeramente más corta. Primero construyó dos ejemplos de un avión de pruebas aerodinámicas más pequeño, el Delanne 20-T , que voló en 1938. El Arsenal de l'Aéronautique construyó entonces un prototipo de caza, el Arsenal-Delanne 10. Se completó y se probó después de la invasión alemana de Francia, y luego se llevó a Alemania para realizar más pruebas.
Mientras tanto, Westland Aircraft estaba considerando una modificación del avión ligero de observación y enlace Lysander , añadiéndole una torreta de cañón trasera para darle cierta protección contra los ataques. El Lysander ya tenía un ala principal adecuada, por lo que para soportar el peso de la torreta Westland pensó en añadir un ala trasera tipo Delanne. Para entonces, las hostilidades habían comenzado, pero Francia aún no había caído. El diseñador jefe WEW "Teddy" Petter y el piloto de pruebas jefe Harald Penrose volaron a París, donde Penrose voló uno de los 20-T e informó favorablemente sobre su manejo. [9] El Lysander en tándem no se completó hasta 1941, cuando Penrose comenzó los vuelos de prueba. Aunque funcionó a la perfección (escribió que "aquí había un prototipo militar que no necesitaba modificaciones"), no se ordenó su producción. [10]
George Miles vio el Lysander en tándem en la base de la RAF en Boscombe Down y se dio cuenta de su potencial como caza naval de corta envergadura y corto despegue. El avión de pruebas Miles M.35 Libellula que siguió se diferenciaba del diseño de Delanne en que tenía alas de envergadura aproximadamente igual, pero con el ala trasera con una cuerda más larga y en flecha hacia atrás. Aunque el diseño fue rechazado, voló lo suficientemente bien como para impulsar el desarrollo del M.39B , un avión de pruebas de menor escala para el bombardero de alta velocidad M.39 propuesto para cumplir con la Especificación B.11/41. Esta vez, el ala delantera era más pequeña y estaba montada baja, mientras que el ala trasera en flecha estaba montada alta con góndolas de dos motores colgadas debajo. Volando en 1943 tuvo un buen desempeño, pero el requisito del bombardero fue cancelado posteriormente.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el interés volvió al concepto de ala delantera inclinable del Flying Flea y, ahora que se comprendían y solucionaban sus peores peligros, los diseñadores siguieron desarrollando la idea, normalmente todavía para la construcción de viviendas. [1]
El Curtiss-Wright X-19 de 1963 marcó la entrada de la configuración de ala en tándem en el campo de los VTOL, como un convertiplano cuadricóptero, con grandes propulsores inclinables montados en cada punta del ala. Resultó excesivamente complejo y poco fiable para la tecnología de la época.
Otros aviones en tándem, como el Delanne, quedaron en el olvido hasta que David Lockspeiser concibió su Land Development Aircraft, un avión de transporte utilitario de bajo coste. Debía utilizar tres componentes de ala intercambiables: uno montado en la parte superior para las alas traseras izquierda y derecha, y un tercer ala delantera montada en el centro, debajo del morro. Su prototipo LDA-01 voló en 1971. Resultó lo suficientemente exitoso como para ser desarrollado para producción, pero el proyecto terminó antes de que pudiera ser modificado.
El siguiente gran avance en la fabricación llegó una vez más en el mercado de la construcción casera. El prometedor diseñador inconformista Burt Rutan estaba trabajando en un avión de baja potencia pero muy eficiente para la construcción casera. El diseño en tándem ofrecía una instalación de tren de aterrizaje fijo de baja resistencia, colocando las ruedas principales en alojamientos en las puntas del ala delantera y aplicando anhedral para elevar el fuselaje lo suficiente para una hélice. El ala trasera montada en altura tenía diedro compensador. El Quickie voló por primera vez en 1977 y al año siguiente ganó el Premio al Nuevo Diseño Destacado de la EAA en Oshkosh. Se hizo popular y posteriormente aparecieron varias variantes.
Rutan fundó Scaled Composites y algunos de los diseños posteriores de la empresa también fueron tándems.
Varios órdenes de insectos voladores emplean alas en tándem, cada uno con su anatomía y modos de vuelo característicos.
Los insectos con alas que baten en tándem incluyen a los odonatos ( libélulas y caballitos del diablo ), los lepidópteros ( mariposas y polillas ) y algunos tisanópteros o tripes . Las especies de odonatos suelen tener alas largas y delgadas y pueden sincronizar el aleteo de pares delanteros y traseros en varios modos diferentes, lo que les permite ser rápidos y muy maniobrables. En comparación, los lepidópteros tienen alas más anchas que baten en sincronía e incluso pueden superponerse en vuelo, y son más adecuadas para el vuelo de resistencia. Los trips son insectos más pequeños y las especies voladoras tienen alas relativamente rígidas. Debido a su pequeño tamaño, generan sustentación a través del aleteo de aplausos y lanzamientos en lugar de la generación de vórtices de borde de ataque habitual de la mayoría de los insectos.
Muchos escarabajos voladores, como la mariquita , tienen alas delanteras que se abren en vuelo pero no se mueven demasiado. Mientras están en tierra, protegen las delicadas alas traseras principales, mientras que en el aire pueden usarse para modificar la aerodinámica del ala principal que se mueve. [12]
Los peces voladores tienen aletas pectorales agrandadas y son capaces de volar planeando, aunque no con aleteo verdadero. Algunas especies, como el pez de alas en banda, también tienen aletas pélvicas lo suficientemente agrandadas , más atrás a lo largo de sus cuerpos, como para formar una disposición en tándem.
Microraptor era un género de dinosaurios de alas en tándem, posiblemente una sola especie. Se conoce solo a partir del registro fósil, principalmente en China. Tanto las extremidades anteriores como las posteriores estaban cubiertas de plumas de vuelo y se cree que era capaz de volar con aleteo y planear. Se desconoce su modo de vuelo.