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En diseño de aeronaves e ingeniería aeroespacial , un dispositivo de gran 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 móviles de gran elevación comunes incluyen aletas y listones de ala . Los dispositivos fijos incluyen ranuras de vanguardia , extensiones de raíz de vanguardia 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 necesarias para el despegue y el aterrizaje, pero aumentará la resistencia, lo que reduce el rendimiento durante la parte del vuelo de crucero. Los diseños modernos de alas de aviones de pasajeros están optimizados para lograr velocidad y eficiencia durante la parte del vuelo de crucero, ya que aquí es donde el avión pasa la gran mayor parte de su tiempo de vuelo. Los dispositivos de alta sustentación compensan esta desventaja de diseño agregando sustentación en el despegue y el aterrizaje, reduciendo la distancia y la velocidad requeridas para aterrizar de manera segura la aeronave y permitiendo el uso de un ala más eficiente en vuelo. Los dispositivos de gran 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 gran sustentación más común es el flap, una porción móvil del ala que se puede bajar para producir sustentación adicional. Cuando se baja un flap, se remodela la sección del ala para darle más curvatura . Los flaps suelen estar situados en el borde de salida de un ala, mientras que los flaps del borde de ataque se utilizan ocasionalmente. Hay muchos tipos de flaps de borde de salida.
Los flaps articulados simples se volvieron de uso común 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 se articula hacia abajo mientras que la superficie superior permanece fija al ala o se mueve de forma independiente.
Los flaps móviles también se extienden hacia atrás, para aumentar la cuerda del ala cuando se despliegan, aumentando el área del ala para ayudar a producir aún más sustentación. Estos comenzaron a aparecer justo antes de la Segunda Guerra Mundial debido a los esfuerzos de muchos individuos y organizaciones diferentes en las décadas de 1920 y 1930.
Las aletas ranuradas comprenden varios perfiles pequeños separados que se separan, se articulan e incluso se deslizan entre sí cuando se despliegan. Esta compleja disposición de flaps se encuentra 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 común de gran elevación es el slat, un pequeño dispositivo con forma de perfil aerodinámico colocado justo delante del borde de ataque del ala. El slat redirige el flujo de aire en la parte delantera del ala, permitiéndole fluir más suavemente sobre la superficie superior cuando se encuentra 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 listón y el ala. [3] El listón puede estar fijo en su posición, con una ranura permanentemente detrás de él, o puede ser retráctil para que la ranura se cierre cuando no sea necesario. Si está 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 ella.
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 deban modificarse las características de sustentación para un buen control a baja velocidad. A veces se utilizan ranuras y listones solo para la sección delante de los alerones, asegurando que cuando el resto del ala se entre en pérdida, los alerones sigan siendo 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 desarrollaron slats automáticos, que se abrían o cerraban según las necesidades según las condiciones de vuelo. Por lo general, funcionaban 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 disminuía o el flujo de aire alcanzaba un ángulo de ataque predeterminado en el ala.
Los sistemas modernos, al igual que los flaps modernos, pueden ser más complejos y normalmente se implementan hidráulicamente o con servos. [4] [5] [6]
Powered high-lift systems generally use airflow from the engine to shape the flow of air over the wing, replacing or modifying the action of the flaps. Blown flaps take "bleed air" from the jet engine's compressor or engine exhaust and blow it over the rear upper surface of the wing and flap, re-energising the boundary layer and allowing the airflow to remain attached at higher angles of attack. A more advanced version of the blown flap is the circulation control wing, a mechanism that ejects air backwards over a specially designed airfoil to create lift through the Coandă effect. The Blackburn Buccaneer had a sophisticated boundary layer control (BLC) system which involved compressor air blown onto the wings and tailplane to reduce the stalling speed and facilitate operations from smaller aircraft carriers.
Another approach is to use the airflow from the engines directly, by placing a flap so that it deploys into the path of the exhaust. Such flaps require greater strength due to the power of modern engines and also greater heat resistance to the hot exhaust, but the effect on lift can be significant. Examples include the C-17 Globemaster III.
More common on modern fighter aircraft but also seen on some civil types, is the leading-edge root extension (LERX), sometimes called just a leading edge extension (LEX). A LERX typically consist of a small triangular fillet attached to the wing leading edge root and to the fuselage. In normal flight the LERX generates little lift. At higher angles of attack, however, it generates a vortex that is positioned to lie on the upper surface of the main wing. The swirling action of the vortex increases the speed of airflow over the wing, so reducing the pressure and providing greater lift. LERX systems are notable for the potentially large angles in which they are effective.
A Co-Flow Jet (CFJ) wing has an upper surface with an injection slot after the leading edge and a suction slot before the trailing edge, to augment lift, increase the stall margin and reduce drag. CFJ is promoted by the mechanical and aerospace engineering department of the University of Miami. For a hybrid-electric regional aircraft based on the ATR 72 with the same wing area, size and weight, CFJ improves its cruise lift coefficient for a higher wing loading, allowing more fuel and batteries for longer range.[7]
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