Un flap es un dispositivo de alta sustentación que se utiliza para reducir la velocidad de pérdida del ala de un avión con un peso determinado. Los flaps suelen estar montados en los bordes de salida del ala de un avión de ala fija . Los flaps se utilizan para reducir la distancia de despegue y de aterrizaje. Los flaps también provocan un aumento de la resistencia aerodinámica, por lo que se retraen cuando no son necesarios.
Los flaps instalados en la mayoría de las aeronaves son flaps de envergadura parcial; en el sentido de la envergadura desde cerca de la raíz del ala hasta el extremo interior de los alerones . Cuando se extienden los flaps de envergadura parcial, alteran la distribución de sustentación en el sentido de la envergadura en el ala al hacer que la mitad interior del ala proporcione una mayor proporción de sustentación y la mitad exterior proporcione una proporción reducida de sustentación. La reducción de la proporción de sustentación proporcionada por la mitad exterior del ala se acompaña de una reducción en el ángulo de ataque de la mitad exterior. Esto es beneficioso porque aumenta el margen por encima del estancamiento de la mitad exterior, manteniendo la efectividad de los alerones y reduciendo la probabilidad de estancamiento asimétrico y giro . La distribución de sustentación ideal a lo largo de un ala es elíptica, y extender los flaps de envergadura parcial provoca una desviación significativa de la elíptica. Esto aumenta la resistencia inducida por la sustentación , lo que puede ser beneficioso durante la aproximación y el aterrizaje porque permite que la aeronave descienda en un ángulo más pronunciado.
Extender los flaps del ala aumenta la comba o curvatura del ala, lo que eleva el coeficiente de sustentación máximo o el límite superior de la sustentación que puede generar un ala. Esto permite que la aeronave genere la sustentación requerida a una velocidad menor, lo que reduce la velocidad mínima (conocida como velocidad de pérdida) a la que la aeronave mantendrá el vuelo de manera segura. Para la mayoría de las configuraciones de aeronaves, un efecto secundario útil del despliegue de los flaps es una disminución del ángulo de cabeceo de la aeronave, lo que baja el morro y mejora la visión del piloto de la pista sobre el morro de la aeronave durante el aterrizaje.
Existen muchos diseños diferentes de flaps, y la elección específica depende del tamaño, la velocidad y la complejidad del avión en el que se van a utilizar, así como de la época en la que se diseñó el avión. Los flaps simples, los flaps ranurados y los flaps Fowler son los más comunes. Los flaps Krueger se colocan en el borde de ataque de las alas y se utilizan en muchos aviones de pasajeros a reacción.
Los flaps de tipo Fowler, Fairey-Youngman y Gouge aumentan el área del ala además de cambiar la curvatura. La mayor superficie sustentadora reduce la carga alar , lo que reduce aún más la velocidad de pérdida.
Algunos flaps se instalan en otros lugares. Los flaps del borde de ataque forman el borde de ataque del ala y cuando se despliegan giran hacia abajo para aumentar la curvatura del ala. El avión de carreras De Havilland DH.88 Comet tenía flaps que se extendían por debajo del fuselaje y por delante del borde de salida del ala. Muchos de los biplanos de la serie Waco Custom Cabin tienen los flaps en la mitad de la cuerda en la parte inferior del ala superior.
La ecuación general de sustentación del avión demuestra estas relaciones: [1]
dónde:
Aquí se puede observar que al aumentar el área (S) y el coeficiente de sustentación ( ) se puede generar una cantidad similar de sustentación a una velocidad aerodinámica menor (V). Por lo tanto, los flaps se utilizan ampliamente para despegues y aterrizajes cortos ( STOL ).
Extender los flaps también aumenta el coeficiente de resistencia aerodinámica del avión. Por lo tanto, para cualquier peso y velocidad aerodinámica dados, los flaps aumentan la fuerza de resistencia aerodinámica . Los flaps aumentan el coeficiente de resistencia aerodinámica de un avión debido a una mayor resistencia aerodinámica inducida causada por la distribución distorsionada de la sustentación en la envergadura del ala con los flaps extendidos. Algunos flaps aumentan el área del ala y, para cualquier velocidad dada, esto también aumenta el componente de resistencia aerodinámica parásita de la resistencia aerodinámica total. [1]
Dependiendo del tipo de aeronave, los flaps pueden extenderse parcialmente para el despegue . [1] Cuando se utilizan durante el despegue, los flaps intercambian distancia de pista por velocidad de ascenso: el uso de flaps reduce el balanceo en tierra pero también reduce la velocidad de ascenso. La cantidad de flaps utilizados en el despegue es específica para cada tipo de aeronave, y el fabricante sugerirá límites y puede indicar la reducción en la velocidad de ascenso que se puede esperar. El Manual de operaciones del piloto del Cessna 172S recomienda 10° de flaps en el despegue, cuando el suelo es blando o es una pista corta, de lo contrario se utilizan 0 grados. [2]
Los flaps pueden extenderse completamente para aterrizar para dar al avión una velocidad de pérdida más baja para que la aproximación al aterrizaje se pueda volar más lentamente, lo que también permite que el avión aterrice en una distancia más corta. La mayor sustentación y resistencia asociada con los flaps completamente extendidos permite una aproximación más pronunciada y lenta al lugar de aterrizaje, pero impone dificultades de manejo en aviones con una carga alar muy baja (es decir, que tienen poco peso y una gran superficie alar). Los vientos en sentido transversal a la línea de vuelo, conocidos como vientos cruzados , hacen que el lado barlovento del avión genere más sustentación y resistencia, lo que hace que el avión se balancee, guiñe y cabecee fuera de su trayectoria de vuelo prevista y, como resultado, muchos aviones ligeros aterrizan con ajustes de flaps reducidos en vientos cruzados. Además, una vez que el avión está en tierra, los flaps pueden disminuir la eficacia de los frenos ya que el ala todavía genera sustentación y evita que todo el peso del avión descanse sobre los neumáticos, lo que aumenta la distancia de frenado, particularmente en condiciones húmedas o heladas. Por lo general, el piloto levantará los flaps lo antes posible para evitar que esto ocurra. [2]
Algunos planeadores no sólo utilizan flaps al aterrizar, sino también en vuelo para optimizar la curvatura del ala para la velocidad elegida. Durante el vuelo térmico , los flaps pueden extenderse parcialmente para reducir la velocidad de pérdida de forma que el planeador pueda volar más lentamente y, por lo tanto, reducir la velocidad de caída, lo que permite al planeador utilizar el aire ascendente de la térmica de forma más eficiente y girar en un círculo más pequeño para aprovechar al máximo el núcleo de la térmica . [ cita requerida ] A velocidades más altas, se utiliza un ajuste de flaps negativo para reducir el momento de cabeceo con el morro hacia abajo . Esto reduce la carga de equilibrio requerida en el estabilizador horizontal , lo que a su vez reduce la resistencia de compensación asociada con mantener el planeador en compensación longitudinal. [ cita requerida ] Los flaps negativos también se pueden utilizar durante la etapa inicial de un despegue de remolque aéreo y al final de la carrera de aterrizaje para mantener un mejor control de los alerones . [ cita requerida ]
Al igual que los planeadores, algunos cazas como el Nakajima Ki-43 también utilizan flaps especiales para mejorar la maniobrabilidad durante el combate aéreo, lo que permite al caza crear más sustentación a una velocidad determinada, lo que permite giros mucho más cerrados. [3] Los flaps utilizados para esto deben estar diseñados específicamente para soportar mayores tensiones y la mayoría de los flaps tienen una velocidad máxima a la que se pueden desplegar. Los modelos de aviones de línea de control construidos para la competición de acrobacias de precisión suelen tener un tipo de sistema de flaps de maniobra que los mueve en dirección opuesta a los elevadores, para ayudar a reducir el radio de una maniobra.
Los rieles de flaps, que suelen estar fabricados con aceros PH y titanio, controlan los flaps ubicados en el borde de salida de las alas de un avión. Los flaps extensibles suelen estar montados sobre rieles guía. Cuando estos están fuera de la estructura del ala, pueden estar carenados para hacerlos más aerodinámicos y protegerlos de daños. [4] Algunos carenados de rieles de flaps están diseñados para actuar como cuerpos antichoque , que reducen la resistencia causada por las ondas de choque sónicas locales donde el flujo de aire se vuelve transónico a altas velocidades.
Puede ser necesario disponer de compuertas de empuje, o huecos, en los flaps del borde de salida para minimizar la interferencia entre el flujo del motor y los flaps desplegados. En ausencia de un alerón interior, que crea un hueco en muchas instalaciones de flaps, puede ser necesaria una sección de flaps modificada. La compuerta de empuje del Boeing 757 se proporcionaba mediante un flap de una sola ranura entre los flaps de doble ranura interior y exterior. [5] El A320 , A330 , A340 y A380 no tienen alerón interior. No se requiere una compuerta de empuje en el flap continuo de una sola ranura. La interferencia en el caso de la maniobra de aproximación frustrada mientras los flaps todavía están completamente desplegados puede provocar un aumento de la resistencia aerodinámica que no debe comprometer la pendiente de ascenso. [6]
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La parte trasera del perfil aerodinámico gira hacia abajo sobre una bisagra simple montada en la parte delantera del flap. [7] La Royal Aircraft Factory y el National Physical Laboratory del Reino Unido probaron flaps en 1913 y 1914, pero nunca se instalaron en un avión real. [8] En 1916, la Fairey Aviation Company realizó una serie de mejoras en un Sopwith Baby que estaban reconstruyendo, incluido su mecanismo de cambio de comba patentado, lo que convirtió al Fairey Hamble Baby , como lo rebautizaron, en el primer avión en volar con flaps. [8] Estos eran flaps simples de envergadura completa que incorporaban alerones, lo que también lo convirtió en el primer ejemplo de flaperones. [8] Sin embargo, Fairey no estaba solo, ya que Breguet pronto incorporó flaps automáticos en el ala inferior de su bombardero/reconocimiento Breguet 14 en 1917. [9] Debido a la mayor eficiencia de otros tipos de flaps, el flap simple normalmente solo se usa cuando se requiere simplicidad.
La parte trasera de la superficie inferior del perfil aerodinámico gira hacia abajo desde el borde delantero del flap, mientras que la superficie superior permanece inmóvil. [10] Esto puede causar grandes cambios en el ajuste longitudinal, inclinando el morro hacia abajo o hacia arriba. En la deflexión completa, un flap dividido actúa como un alerón, agregando significativamente al coeficiente de resistencia. [ cita requerida ] También agrega un poco al coeficiente de sustentación. Fue inventado por Orville Wright y James MH Jacobs en 1920, pero solo se volvió común en la década de 1930 y luego fue reemplazado rápidamente. [11] [ verificación fallida ] El Douglas DC-1 (progenitor del DC-3 y C-47) fue uno de los primeros de muchos tipos de aeronaves en usar flaps divididos.
Un espacio entre el flap y el ala fuerza el aire a alta presión desde debajo del ala sobre el flap, lo que ayuda a que el flujo de aire permanezca adherido al flap, lo que aumenta la sustentación en comparación con un flap dividido. [12] Además, la sustentación a lo largo de toda la cuerda del perfil aerodinámico primario aumenta considerablemente a medida que aumenta la velocidad del aire que sale de su borde de salida, desde el típico 80% de corriente libre sin flap, hasta la del aire de mayor velocidad y menor presión que fluye alrededor del borde de ataque del flap ranurado. [13] Cualquier flap que permita que el aire pase entre el ala y el flap se considera un flap ranurado. El flap ranurado fue el resultado de la investigación en Handley-Page , una variante de la ranura que data de la década de 1920, pero que no se usó ampliamente hasta mucho después. Algunos flaps usan múltiples ranuras para potenciar aún más el efecto.
Flap dividido que se desliza hacia atrás antes de girar hacia abajo, aumentando así primero la cuerda y luego la curvatura. [14] El flap puede formar parte de la superficie superior del ala, como un flap simple, o no, como un flap dividido, pero debe deslizarse hacia atrás antes de bajar. Como característica definitoria, que lo distingue del flap ranurado, siempre proporciona un efecto de ranura.
El flap fue inventado por Harlan D. Fowler en 1924 y probado por Fred Weick en NACA en 1932. Utilizado por primera vez en el prototipo Martin 146 en 1935, entró en producción en el Lockheed Super Electra de 1937 , [15] y sigue siendo de uso generalizado en los aviones modernos, a menudo con múltiples ranuras. [16]
Flap liso ranurado fijado debajo del borde de salida del ala y que gira sobre su borde delantero. [17] Cuando no se utiliza, tiene más resistencia que otros tipos, pero es más eficaz para crear sustentación adicional que un flap liso o dividido, al tiempo que conserva su simplicidad mecánica. Inventado por Otto Mader en Junkers a finales de la década de 1920, se veían con mayor frecuencia en el Junkers Ju 52 y el Junkers Ju 87 Stuka , aunque el mismo diseño básico también se puede encontrar en muchos ultraligeros modernos, como el Denney Kitfox . Este tipo de flap a veces se denomina flap de perfil aerodinámico externo. [18]
Un tipo de flap dividido que se desliza hacia atrás a lo largo de pistas curvas que fuerzan el borde de salida hacia abajo, aumentando la cuerda y la curvatura sin afectar el equilibrio ni requerir ningún mecanismo adicional. [19] Fue inventado por Arthur Gouge para Short Brothers en 1936 y utilizado en los hidroaviones Short Empire y Sunderland , que usaban el perfil aerodinámico Shorts AD5 muy grueso. Short Brothers puede haber sido la única empresa en utilizar este tipo.
Se despliega hacia abajo (convirtiéndose en un Junkers Flap) antes de deslizarse hacia atrás y luego rotar hacia arriba o hacia abajo. Fairey fue uno de los pocos exponentes de este diseño, que se utilizó en el Fairey Firefly y el Fairey Barracuda . Cuando estaba en posición extendida, se podía inclinar hacia arriba (hasta un ángulo de incidencia negativo) para que el avión pudiera descender verticalmente sin necesidad de cambios excesivos de compensación. [ cita requerida ]
El flap Zap fue inventado por Edward F. Zaparka mientras estaba en Berliner/Joyce y probado en un Aristocrat de General Airplanes Corporation en 1932 y en otros modelos periódicamente a partir de entonces, pero tuvo poco uso en aviones de producción aparte del Northrop P-61 Black Widow . El borde de ataque del flap está montado sobre una pista, mientras que un punto en la mitad de la cuerda del flap está conectado a través de un brazo a un pivote justo encima de la pista. Cuando el borde de ataque del flap se mueve hacia atrás a lo largo de la pista, el triángulo formado por la pista, el eje y la superficie del flap (fijado en el pivote) se hace más estrecho y profundo, forzando al flap hacia abajo. [20]
Flap articulado que se despliega desde debajo del borde de ataque del ala sin formar parte del borde de ataque del ala cuando se retrae. Esto aumenta la curvatura y el grosor del ala, lo que a su vez aumenta la sustentación y la resistencia. [21] [22] No es lo mismo que un flap de borde de ataque, ya que este se forma a partir de todo el borde de ataque. [23] Inventado por Werner Krüger en 1943 y evaluado en Goettingen, los flaps Krueger se encuentran en muchos aviones de pasajeros de ala en flecha modernos.
Una pequeña pestaña perpendicular fija de entre el 1 y el 2% de la cuerda del ala, montada en el lado de alta presión del borde de salida de un perfil aerodinámico. Recibió su nombre en honor al piloto de carreras Dan Gurney , quien lo redescubrió en 1971, y desde entonces se ha utilizado en algunos helicópteros como el Sikorsky S-76B para corregir problemas de control sin tener que recurrir a un rediseño importante. Aumenta la eficiencia incluso de los perfiles aerodinámicos teóricos básicos (formados por un triángulo y un círculo superpuestos) al equivalente de un perfil aerodinámico convencional. El principio fue descubierto en la década de 1930, pero rara vez se utilizó y luego se olvidó. Las marcas posteriores del Supermarine Spitfire usaban un reborde en el borde de salida de los elevadores, que funcionaba de manera similar.
Todo el borde de ataque del ala gira hacia abajo, aumentando efectivamente la curvatura y también reduciendo ligeramente la cuerda. [24] [25] Se encuentra más comúnmente en cazas con alas muy delgadas no aptas para otros dispositivos de alta sustentación de borde de ataque.
Un tipo de sistema de control de capa límite, los flaps soplados pasan aire generado por el motor o escape sobre los flaps para aumentar la sustentación más allá de lo que se puede lograr con flaps mecánicos. Los tipos incluyen el original (flap soplado internamente) que sopla aire comprimido del motor sobre la parte superior del flap, el flap soplado externamente, que sopla el escape del motor sobre las superficies superior e inferior del flap, y el soplado de superficie superior que sopla el escape del motor sobre la parte superior del ala y el flap. Si bien las pruebas se realizaron en Gran Bretaña y Alemania antes de la Segunda Guerra Mundial , [26] y comenzaron los ensayos de vuelo, el primer avión de producción con flaps soplados no fue hasta el Lockheed T2V SeaStar de 1957. [27] El soplado de superficie superior se utilizó en el Boeing YC-14 en 1976 .
También conocido como FlexFoil . Una interpretación moderna de la deformación de las alas, los actuadores mecánicos internos doblan una red que cambia la forma del perfil aerodinámico. Puede tener un sello de espacio flexible en la transición entre los perfiles aerodinámicos fijos y flexibles. [28]
Un tipo de superficie de control de aeronave que combina las funciones de los flaps y los alerones .
En 2014, los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARL) en el Centro de Investigación Langley de la NASA desarrollaron un diseño de flap activo para las palas de rotor de helicópteros. El flap de borde de salida continuo (CTEF) utiliza componentes para cambiar la inclinación de las palas durante el vuelo, eliminando las bisagras mecánicas para mejorar la confiabilidad del sistema. Se construyeron prototipos para pruebas en túnel de viento. [29]
En enero de 2016, un equipo del ARL realizó una prueba de fuego real de una pala de rotor con tecnología de control de pala individual. Los experimentos de fuego real exploraron la vulnerabilidad balística de las tecnologías de control de pala. Los investigadores dispararon tres tiros representativos de un fuego terrestre típico sobre una sección de pala de rotor de 2 metros de envergadura y 25 centímetros de cuerda con un CTEF de 1,20 metros de largo en la Instalación Experimental de la Base Aérea del ARL. [30]
El vehículo está diseñado para poder aterrizar en la Tierra, la Luna o Marte. Dependiendo de cuál ... la relación entre la energía disipada aerodinámicamente y la propulsivamente es bastante diferente. En el caso de la Luna, es completamente propulsiva. ... Tierra: más del 99,9% de la energía se elimina aerodinámicamente ... Marte: más del 99% de la energía se elimina aerodinámicamente en Marte
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