Un ala en tándem es una configuración de ala en la que una nave o animal volador tiene dos o más pares de alas colocadas una detrás de otra. Todas las alas contribuyen a la elevación .
El ala tándem se diferencia del biplano en el que las alas están apiladas una encima de 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 tándem, pero pocos diseños se han puesto en producción.
Las alas en tándem en la naturaleza se dan sólo 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 ellas y el centro de gravedad (CG) del avión 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 del mismo tamaño y alineadas entre sí. Algunos ejemplos han volado con éxito, como el planeador Peyret de 1922. Sin embargo, el alerón trasero suele colocarse encima o 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 existen líneas divisorias claras entre las configuraciones convencional y tándem, o tándem versus canard . [2] La disposición del ala delantera de montaje alto y del ala de popa de montaje bajo también se trata a veces como un biplano escalonado extremo y se lo conoce como biplano Nénandovich. [3]
Los efectos de interferencia entre las dos alas pueden hacer que un diseño 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.
El diseño en tándem crea un "efecto de ranura" en el que el alerón delantero desvía el aire hacia abajo sobre el alerón trasero, reduciendo el ángulo de ataque (AoA) de la parte trasera. En aviones con un AoA alto, esto hace que el alerón delantero entre en pérdida primero, lo que permite un vuelo más seguro a bajas velocidades que el diseño convencional equivalente. También ofrece un buen rendimiento STOL. [1]
Las alas en tándem también se han utilizado en vehículos de efecto suelo , donde el alerón delantero se usa para dirigir el aire hacia abajo debajo del alerón trasero para crear un colchón de aire elevador.
En un ala 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 del diseño de cola primero o canard ; la distinción está principalmente en el tamaño relativo de la superficie delantera. [4]
Sin embargo, las mayores fuerzas de trimado disponibles en comparación con un plano de cola o plano de proa más pequeño significan que un diseño tándem puede ofrecer una mayor variedad de condiciones de trimado y, por lo tanto, de ubicación del centro de gravedad (CG) que otros diseños, lo que puede ofrecer una solución práctica donde el peso Las cargas y distribuciones pueden variar durante las operaciones. Sin embargo, una amplia gama de CG genera otros problemas, incluido un diseño del tren de aterrizaje compatible y características de pérdida segura. [1]
El ala unida es un diseño de ala en tándem en el que el alerón delantero se desplaza hacia atrás y/o el alerón trasero se desplaza hacia adelante de manera que se unen en o cerca de las puntas para formar una superficie continua en forma de diamante o triángulo hueco. [5] [6] El ala unida es también un ejemplo de ala cerrada .
El Ligeti Stratos es un raro ejemplo 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 tensiona la sección de raíz. Sin embargo, en un diseño tándem cada ala es más pequeña y la carga exterior está ausente. Esto permite que la estructura del ala sea más ligera en general.
En un diseño convencional, el fuselaje se apoya en un solo lugar, con las secciones delantera y trasera del fuselaje en voladizo hacia afuera. Esto crea importantes tensiones de flexión. Un ala en tándem sostiene el mismo fuselaje en dos lugares, reduciendo 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 tándem es más rígida en general, lo que significa que es necesario tener menos margen para la flexión y es posible un margen de seguridad menor en los niveles de tensión, lo que permite una mayor reducción de peso y costos. [1]
La configuración del ala en tándem es anterior al vuelo tripulado exitoso. Ya en el siglo XV, Tito Livio Burraitni experimentó con un modelo de ala tándem. Cuatro pares de alas en tándem proporcionaron sustentación y propulsión, y el gato de Burraitni se convirtió en el primer aeronauta en volar en un diseño tándem. [1]
Habiendo volado también modelos tándem de proa y popa más simples de hasta 14 pies (4,3 m) de envergadura, en 1903 Samuel Pierpont Langley construyó un monoplano de ala tándem de tamaño completo, el Aerodrome , y lo lanzó desde el techo de una casa flotante. . No logró volar. Después de su muerte, el Instituto Smithsonian 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 añadió flota e hizo otras mejoras, lo que le permitió realizar saltos cortos como un verdadero hidroavión en 1914. El truco finalmente quedó expuesto, 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 fabricado planeadores exitosos durante mucho tiempo. En 1905, John J. Montgomery voló un planeador monoplano en tándem, confirmando que el principio aerodinámico era sólido.
Los vuelos propulsados siguieron dos años después. En 1906 Louis Blériot construyó su tercer avión con alas cerradas elípticas en tándem, modificándolo posteriormente como su tipo IV con el ala delantera convertida en un biplano convencional. Pero no fue hasta el año siguiente que su tipo VI , un monoplano tándem con ruedas de configuración muy similar al Aeródromo de Langley, se convirtió en el primer avión de ala tándem en volar.
Entre 1907 y 1911, los estudios de aerodinámica de Gustave Eiffel demostraron que el diseño tándem era intrínsecamente menos eficiente aerodinámicamente que el más convencional. [4] Coincidiendo con el trabajo de Eiffel, Stefan Driezewicki desarrolló y probó en un túnel de viento un diseño de ala en tándem inherentemente estable. Luego construyó y voló con éxito un ejemplar de tamaño real a finales de 1912. [1]
Después de la Primera Guerra Mundial se siguieron construyendo aviones experimentales de ala tándem.
El prototipo de hidroavión Caproni Ca.60 constaba de un casco largo para transportar pasajeros al que se unían en tándem tres pilas de alas triplanas de la exitosa línea Ca.4 de bombarderos pesados y aviones de pasajeros, lo que le valió el sobrenombre 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 sin motor en 1922. El novedoso sistema de control de Peyret comprendía superficies de borde de salida de envergadura completa en las cuatro alas. Estos operaban en pares a cada lado como alerones, en pares hacia adelante y hacia atrás como elevadores y sincrónicamente como flaps para vuelos a baja velocidad. El sistema demostró ser efectivo y, a pesar de que el planeador era menos eficiente que los aviones 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 tipos motorizados, siguieron siendo una curiosidad.
La SFCA continuó el trabajo de Peyret después de su muerte, adoptando su sistema de control. Su Taupin voló por primera vez en 1933. Su diseño resultó práctico y se produjeron unos 52 ejemplares.
Mientras tanto , Henri Mignet estaba adoptando un enfoque muy diferente respecto del control de vuelo. Diseñado para que los aficionados lo construyeran en casa, su Pou-du-Ciel (pulga voladora) tenía un novedoso sistema de control de dos ejes para facilitar el vuelo. No se necesitaban alerones porque cuando se accionaba el timón, el acoplamiento de guiñada aseguraba que el avión se inclinara hacia un giro. Para controlar el cabeceo, todo el alerón delantero se inclinó para actuar como un elevador canard. Introducido casi 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 alerón delantero variable podrían provocar accidentes letales en manos del piloto novato, y el modelo finalmente cayó en desgracia.
A finales de la década de 1930, Maurice Delanne estaba trabajando en diseños de alas en tándem. Propuso un caza, el Delanne 10, con un ala delantera con gaviotas y aletas gemelas en las puntas del alerón trasero de implantación baja y ligeramente más corta. Primero construyó dos ejemplares de un avión de prueba aerodinámico más pequeño, el Delanne 20-T , que voló en 1938. El Arsenal de l'Aéronautique construyó luego un prototipo de caza, el Arsenal-Delanne 10 . Fue completado y probado después de la invasión alemana de Francia, y luego fue llevado a Alemania para realizar más pruebas.
Mientras tanto , Westland Aircraft estaba considerando una modificación del avión ligero de observación y enlace Lysander , agregando una torreta trasera para darle cierta protección contra ataques. El Lysander ya contaba con un alerón principal adecuado, por lo que para soportar el peso de la torreta, Westland pensó en añadir un alerón trasero tipo Delanne. Para entonces ya habían comenzado las hostilidades pero Francia aún no había caído. El diseñador jefe WEW "Teddy" Petter y el piloto jefe de pruebas Harald Penrose volaron a París, donde Penrose voló uno de los 20-T e informó favorablemente sobre su manejo. [9] El tándem Lysander no se completó hasta 1941, cuando Penrose comenzó los vuelos de prueba. Aunque funcionó perfectamente (escribió que "aquí había un prototipo militar que no necesitaba modificaciones"), no se ordenó su producción. [10]
George Miles vio el tándem Lysander en RAF Boscombe Down y se dio cuenta de su potencial como caza naval de corta envergadura y despegue corto. El avión de prueba Miles M.35 Libellula resultante se diferenciaba del diseño de Delanne en que tenía alas de aproximadamente la misma envergadura, pero con el alerón trasero con una cuerda más larga y inclinado hacia atrás. Aunque el diseño fue rechazado, voló lo suficientemente bien como para impulsar el desarrollo del M.39B más grande , un avión de prueba a subescala para el bombardero de alta velocidad M.39 propuesto que cumpliera con la Especificación B.11/41. Esta vez el alerón delantero era más pequeño y estaba montado bajo, mientras que el alerón trasero en flecha estaba montado en alto con góndolas de dos motores colgadas debajo. Volando en 1943 funcionó bien, pero posteriormente se canceló la necesidad de bombarderos.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el interés volvió al concepto de alas delanteras inclinadas de la Pulga Voladora y, ahora que se comprenden y solucionan sus peores peligros, los diseñadores han seguido 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 VTOL, como un convertiplano cuadrotor, con grandes proprotores inclinables montados en cada punta de ala. Resultó demasiado complejo y poco fiable para la tecnología de la época.
Otros enfoques tándem, como el Delanne, quedaron en gran medida olvidados, hasta que David Lockspeiser concibió su Land Development Aircraft, un transporte utilitario de bajo coste. Debía utilizar tres componentes de ala intercambiables; uno montado en lo alto para las aletas traseras izquierda y derecha, y un tercer ala delantera montada centralmente debajo del morro. Su prototipo LDA-01 voló en 1971. Resultó lo suficientemente exitoso como para desarrollarlo para producción, pero el proyecto terminó antes de que pudiera modificarse.
El siguiente avance en la fabricación se produjo una vez más en el mercado de la construcción de viviendas. El prometedor y rebelde diseñador Burt Rutan estaba trabajando en un avión de baja potencia pero muy eficiente para la construcción de viviendas. 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 anédrico para elevar el fuselaje lo suficientemente alto como para una hélice. El alerón trasero de montaje alto tenía un diédrico de compensación. El Quickie voló por primera vez en 1977 y al año siguiente ganó el Premio al Nuevo Diseño Sobresaliente de la EAA en Oshkosh. Se hizo popular y posteriormente aparecieron varias variantes.
Rutan creó Scaled Composites y algunos de los diseños posteriores de la empresa también fueron tándems.
Varios órdenes de insectos voladores emplean alas en tándem, cada una con su anatomía y modos de vuelo característicos.
Los insectos con alas batidas en tándem incluyen los Odonata ( libélulas y caballitos del diablo ), Lepidoptera ( mariposas y polillas ) y algunos Thysanoptera o Thrips . Las especies de Odonata suelen tener alas largas y delgadas y pueden sincronizar el aleteo de los pares delanteros y traseros en varios modos diferentes, lo que les permite ser rápidos y altamente maniobrables. En comparación, los lepidópteros tienen alas más anchas que baten en sincronía e incluso pueden superponerse en vuelo, y se adaptan mejor al vuelo de resistencia. Los trips son insectos más pequeños y las especies voladoras tienen alas relativamente rígidas. Debido a su pequeño tamaño, generan elevación mediante aplausos y aleteos en lugar de la habitual generación de vórtices de vanguardia de la mayoría de los insectos.
Muchos escarabajos voladores, como la mariquita , tienen alas delanteras que se abren en vuelo pero no aletean significativamente. 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 aletea. [12]
Los peces voladores tienen aletas pectorales agrandadas y son capaces de volar planeando, aunque no de un verdadero vuelo aleteando. Algunas especies, como el ala de banda, también tienen aletas pélvicas lo suficientemente agrandadas , más atrás a lo largo de su cuerpo, para formar una disposición en tándem.
Microraptor era un género de dinosaurios con alas en tándem , posiblemente de una sola especie. Se conoce únicamente por el registro fósil, principalmente en China. Tanto las extremidades delanteras como las traseras estaban cubiertas de plumas de vuelo y se cree que era capaz de volar con aleteo y planear. Se desconoce su modo de vuelo.