Ala cargando

Masa total dividida por el área del ala

La mariposa monarca tiene una carga alar muy baja de 0,168 kg/m ²

El McDonnell Douglas MD-11 tiene una carga alar máxima de 837 kg/m ²

En aerodinámica , la carga alar es la masa total de una aeronave o animal volador dividida por el área de su ala. ^{[1] [a]} La velocidad de pérdida , la velocidad de despegue y la velocidad de aterrizaje de un avión están determinadas en parte por la carga alar. ^[2]

Cuanto más rápido vuela un avión, más cambia su sustentación por un cambio en el ángulo de ataque, por lo que un ala más pequeña se ve menos afectada por las ráfagas verticales . En consecuencia, los aviones más rápidos generalmente tienen cargas alar más altas que los aviones más lentos para evitar una respuesta excesiva a las ráfagas verticales. ^[3]

Una mayor carga alar también disminuye la maniobrabilidad. Las mismas limitaciones se aplican a los organismos biológicos alados.

Gama de cargas alar

Efecto sobre el rendimiento

La carga alar es una medida útil de la velocidad de pérdida de un avión. Las alas generan sustentación debido al movimiento del aire alrededor del ala. Las alas más grandes mueven más aire, por lo que un avión con un área de ala grande en relación con su masa (es decir, carga alar baja) tendrá una velocidad de pérdida menor. Por tanto, un avión con menor carga alar podrá despegar y aterrizar a menor velocidad (o podrá despegar con mayor carga). También podrá girar a mayor velocidad.

Efecto sobre las velocidades de despegue y aterrizaje.

La fuerza de sustentación L sobre un ala de área A , que viaja a la velocidad real v, está dada por

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L}}$,

donde ρ es la densidad del aire y CL es el _coeficiente de sustentación . El coeficiente de sustentación es un número adimensional que depende del perfil de la sección transversal del ala y del ángulo de ataque . ^[12] En vuelo constante, ni en ascenso ni en picado, la fuerza de sustentación y el peso son iguales. Con L/A = Mg/A = W _S g , donde M es la masa de la aeronave, W _S = M / A la carga alar (en unidades de masa/área, es decir, lb/ft ² o kg/m ² , no fuerza/ área) y g la aceleración debida a la gravedad, esa ecuación da la velocidad v a través de ^[13]

${\displaystyle \textstyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}}$.

Como consecuencia, aviones con el mismo C _L en el momento del despegue bajo las mismas condiciones atmosféricas tendrán velocidades de despegue proporcionales a . Entonces, si el área del ala de un avión aumenta en un 10% y no se cambia nada más, la velocidad de despegue disminuirá aproximadamente un 5%. Del mismo modo, si un avión diseñado para despegar a 150 mph aumenta su peso durante el desarrollo en un 40%, su velocidad de despegue aumenta a = 177 mph. ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {W_{S}}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle 150{\sqrt {1.4}}}$

Algunos voladores dependen de su fuerza muscular para ganar velocidad y despegar sobre tierra o agua. Las aves acuáticas y que anidan en el suelo deben poder correr o remar a su velocidad de despegue antes de poder despegar. Lo mismo ocurre con un piloto de ala delta, aunque puede recibir ayuda de una carrera cuesta abajo. Para todos estos, un W _S bajo es fundamental, mientras que los paseriformes y las aves que habitan en acantilados pueden volar con cargas alar más altas.

Efecto sobre el rendimiento de giro

Para girar, una aeronave debe rodar en la dirección del giro, aumentando el ángulo de inclinación de la aeronave . El vuelo giratorio reduce el componente de sustentación del ala contra la gravedad y, por lo tanto, provoca un descenso. Para compensar, se debe aumentar la fuerza de elevación aumentando el ángulo de ataque mediante el uso de una deflexión del elevador hacia arriba , lo que aumenta la resistencia. El giro puede describirse como "escalar alrededor de un círculo" (la sustentación del ala se desvía para girar el avión), por lo que el aumento en el ángulo de ataque del ala crea aún más resistencia. Cuanto más cerrado se intentaba el radio de giro , más resistencia inducía; esto requiere que se agregue potencia (empuje) para superar la resistencia. La velocidad máxima de giro posible para un diseño de avión determinado está limitada por el tamaño de su ala y la potencia disponible del motor: el giro máximo que el avión puede lograr y mantener es su rendimiento de giro sostenido . A medida que aumenta el ángulo de inclinación, también aumenta la fuerza g aplicada a la aeronave, lo que tiene el efecto de aumentar la carga alar y también la velocidad de pérdida . Este efecto también se experimenta durante las maniobras de cabeceo nivelado . ^[14]

Factor de carga que varía con la altitud a 50 o 100 lb/pie cuadrado

Como la pérdida se debe a la carga alar y al coeficiente de sustentación máximo a una altitud y velocidad determinadas, esto limita el radio de giro debido al factor de carga máximo . Con Mach 0,85 y un coeficiente de sustentación de 0,7, una carga alar de 50 lb/pie cuadrado (240 kg/m ² ) puede alcanzar un límite estructural de 7,33 g hasta 15.000 pies (4.600 m) y luego disminuye a 2,3 g a 40.000 pies ( 12.000 m). Con una carga alar de 490 kg/ ^m2 (100 lb/pie cuadrado ), el factor de carga es dos veces menor y apenas alcanza 1 g a 40.000 pies. ^[15]

Las aeronaves con cargas alar bajas tienden a tener un rendimiento de giro sostenido superior porque pueden generar más sustentación para una cantidad determinada de empuje del motor. El ángulo de alabeo inmediato que un avión puede alcanzar antes de que la resistencia disminuya seriamente la velocidad del aire se conoce como rendimiento de giro instantáneo . Un avión con un ala pequeña y muy cargada puede tener un rendimiento de giro instantáneo superior, pero un rendimiento de giro sostenido pobre: ​​reacciona rápidamente a la entrada de control, pero su capacidad para mantener un giro cerrado es limitada. Un ejemplo clásico es el F-104 Starfighter , que tiene un ala muy pequeña y una carga alar elevada de 723 kg/m ² (148 lb/sq ft).

En el extremo opuesto del espectro estaba el gran Convair B-36 : sus grandes alas daban como resultado una carga alar baja de 269 kg/m ² (55 lb/pie cuadrado) que podía permitirle realizar giros más cerrados a gran altura que los aviones de combate contemporáneos. , mientras que el Hawker Hunter, ligeramente posterior, tenía una carga alar similar de 344 kg/m ² (70 lb/pie cuadrado). El prototipo del avión de pasajeros Boeing 367-80 podría rodar a bajas altitudes con una carga alar de 387 kg/m ² (79 lb/sq ft) con el peso máximo.

Como cualquier cuerpo en movimiento circular , un avión que es lo suficientemente rápido y fuerte como para mantener un vuelo nivelado a una velocidad v en un círculo de radio R acelera hacia el centro en . Esa aceleración es causada por la componente horizontal hacia adentro del ascensor, donde es el ángulo de inclinación. Entonces de la segunda ley de Newton , ${\displaystyle \scriptstyle {\frac {v^{2}}{R}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle Lsin\theta }$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \textstyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$

Resolviendo para R da

${\displaystyle \textstyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$

Cuanto menor sea la carga alar, más cerrado será el giro.

Los planeadores diseñados para aprovechar las térmicas necesitan un pequeño círculo de giro para permanecer dentro de la columna de aire ascendente, y lo mismo ocurre con las aves en vuelo. Otras aves, por ejemplo las que atrapan insectos en vuelo, también necesitan una gran maniobrabilidad. Todos necesitan cargas alar bajas.

Efecto sobre la estabilidad

La carga alar también afecta la respuesta a las ráfagas , el grado en que la aeronave se ve afectada por la turbulencia y las variaciones en la densidad del aire. Un ala pequeña tiene menos área sobre la cual puede actuar una ráfaga, lo cual sirve para suavizar el viaje. Para vuelos de alta velocidad y bajo nivel (como un bombardeo rápido a bajo nivel en un avión de ataque ), es preferible un ala pequeña, delgada y muy cargada: los aviones con una carga alar baja a menudo están sujetos a un duro y duro vuelo. viajar en este régimen de vuelo. El F-15E Strike Eagle tiene una carga alar de 650 kilogramos por metro cuadrado (130 lb/pie cuadrado) (excluyendo las contribuciones del fuselaje al área efectiva), mientras que la mayoría de los aviones de ala delta (como el Dassault Mirage III , para el cual W _S = 387 kg/m ² ) tienden a tener alas grandes y cargas alar bajas. ^{[ cita necesaria ]}

Cuantitativamente, si una ráfaga produce una presión ascendente de G (en N/m ² , digamos) en un avión de masa M , la aceleración ascendente a , según la segunda ley de Newton, estará dada por

${\displaystyle \textstyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}}}$,

disminuyendo con la carga alar.

Efecto del desarrollo

Una complicación adicional con la carga alar es que es difícil alterar sustancialmente el área del ala de un diseño de aeronave existente (aunque son posibles mejoras modestas). A medida que se desarrollan los aviones, son propensos a un " crecimiento de peso ", es decir, la adición de equipos y características que aumentan sustancialmente la masa operativa del avión. Una aeronave cuya carga alar es moderada en su diseño original puede terminar con una carga alar muy alta a medida que se agregan nuevos equipos. Aunque los motores pueden reemplazarse o mejorarse para obtener un empuje adicional, los efectos sobre el rendimiento de giro y despegue resultantes de una mayor carga alar no se concilian tan fácilmente.

Uso de lastre de agua en planeadores.

Los planeadores modernos suelen utilizar lastre de agua transportado en las alas para aumentar la carga alar cuando las condiciones de vuelo son fuertes. Al aumentar la carga alar, se puede aumentar la velocidad promedio alcanzada a través del país para aprovechar las fuertes térmicas. Con una carga alar más alta, se logra una relación determinada de sustentación y resistencia a una velocidad aérea más alta que con una carga alar más baja, y esto permite una velocidad promedio más rápida a través del campo. El lastre puede ser expulsado por la borda cuando las condiciones se debilitan o antes del aterrizaje.

Consideraciones de diseño

elevación del fuselaje

El F-15E Strike Eagle tiene un ala grande y relativamente ligera de carga.

Un diseño combinado de ala y fuselaje, como el que se encuentra en el General Dynamics F-16 Fighting Falcon o el Mikoyan MiG-29 Fulcrum, ayuda a reducir la carga alar; En tal diseño, el fuselaje genera sustentación aerodinámica, mejorando así la carga alar manteniendo un alto rendimiento.

Ala de barrido variable

Aviones como el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado emplean alas de barrido variable . Como su área alar varía en vuelo, también lo hace la carga alar (aunque este no es el único beneficio). Cuando el ala está en posición delantera, el rendimiento de despegue y aterrizaje mejora considerablemente. ^[dieciséis]

Solapas

Como todos los flaps de avión, los flaps Fowler aumentan la curvatura y, por tanto _, el valor máximo del coeficiente de sustentación ( CLmax ), reduciendo la velocidad de aterrizaje. También aumentan el área del ala, disminuyendo la carga alar, lo que reduce aún más la velocidad de aterrizaje. ^[17]

Los dispositivos de gran sustentación, como ciertos flaps, permiten la opción de utilizar alas más pequeñas en un diseño para lograr velocidades de aterrizaje similares en comparación con un diseño alternativo que utiliza un ala más grande sin un dispositivo de gran sustentación. Estas opciones permiten una mayor carga alar en un diseño. Esto puede resultar en características beneficiosas, como velocidades de crucero más altas o una reducción de los baches en vuelos a alta velocidad y baja altitud (esta última característica es muy importante para las funciones de aviones de apoyo aéreo cercano). Por ejemplo, el Starfighter de Lockheed utiliza flaps internos soplados para lograr un diseño de carga alar alta (723 kg/m²) que le permite un vuelo a baja altitud mucho más suave a velocidades de aceleración máxima en comparación con diseños delta de carga alar baja como el Mirage 2000 o Mirage III. (387 kg/m²). El F-16, que tiene una carga alar relativamente alta de 689 kg/m², utiliza extensiones de borde de ataque para aumentar la sustentación del ala en ángulos de ataque elevados.

Ver también

• Cargando disco
• Coeficiente de sustentación
• deformación del ala

Referencias

Notas

1. "Definición de carga alar". Merriam Webster.
2. "Capítulo 11: Rendimiento de la aeronave". Manual del piloto de conocimientos aeronáuticos (FAA-H-8083-25C ed.). Administración Federal de Aviación . 17 de julio de 2023. págs. 8–9.
3. Wragg, David W. (1973). Un diccionario de aviación (primera ed.). Águila pescadora. pag. 281.ISBN​ 9780850451634.
4. Hendrik Tennekes (2009). La ciencia simple del vuelo: de insectos a aviones gigantes. Prensa del MIT. ISBN 978-0-262-51313-5., "Figura 2: El gran diagrama de vuelo".
5. Thomas Alerstam, Mikael Rosén, Johan Bäckman, Per G. P Ericson, Olof Hellgren (17 de julio de 2007). "Velocidades de vuelo entre especies de aves: efectos alométricos y filogenéticos". Más biología . 5 (8): e197. doi : 10.1371/journal.pbio.0050197 . PMC 1914071 . PMID  17645390. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
6. Meunier, K. Korrelation und Umkonstruktionen in den Größenbeziehungen zwischen Vogelflügel und Vogelkörper-Biologia Generalis 1951: págs. [Artículo en alemán]
7. Gérard Florit (23 de enero de 2016). "Ozono Buzz Z3". P@r@2000 .
8. "Deporte 2/2C". Ala de testamentos.
9. "Sección 3 del Código deportivo: Vuelo sin motor". Federación Aeronáutica Internacional . 12 de octubre de 2016.
10. "Ultraluces". Autoridad de Aviación Civil del Reino Unido. o una velocidad de pérdida con el peso máximo autorizado que no exceda los 35 nudos de velocidad calibrada
11. Lloyd R. Jenkinson; Paul Simpkin; Darren Rhodes (30 de julio de 1999). "Archivo de datos de aeronaves". Diseño de aviones a reacción civiles . Elsevier Limited.
12. Anderson, 1999 pág. 58
13. Anderson, 1999 págs. 201-3
14. Picante, 1986. p. 24.
15. Laurence K. Loftin Jr. (1985). "Capítulo 11 - Maniobrabilidad de la aeronave". Búsqueda del rendimiento: la evolución de los aviones modernos. Subdivisión de Información Científica y Técnica de la NASA.
16. Spick, 1986, págs. 84–87.
17. Anderson 1999, págs. 30-1

Bibliografía

• Anderson, John D. Jr. (1999). Rendimiento y diseño de aeronaves. Cambridge: WCB/McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Picante, Mike (1986). Jet Fighter Performance: Corea a Vietnam. Osceola, Wisconsin: Motorbooks Internacional. ISBN 0-7110-1582-1.

Notas

1. Para aviones, esto incluye el área de los alerones . ^[2]
2. 138 especies de 10 ga 10 kg, desde pequeños paseriformes hasta cisnes y grullas
3. con peso máximo
4. legislación promulgada
5. para un avión terrestre de dos asientos
6. con peso máximo

enlaces externos

• Laurence K. Loftin Jr. (1985). "Capítulo 7: Tendencias de diseño: velocidad de pérdida, carga alar y coeficiente de elevación máximo". Búsqueda del rendimiento: la evolución de los aviones modernos. Subdivisión de Información Científica y Técnica de la NASA.
• Conde L. Poole (1938). "Pesos y áreas alares en aves norteamericanas" (PDF) . El alca .