Hipersustentadores

Con la evolución tecnológica e ingeniería las aeronaves comenzaron a poder volar a mayor velocidad, altura y realizar operaciones cada vez más complejas. Pero así como volar más rápido, como vimos en capítulos anteriores, implica que el diseño del perfil esté adecuado para este tipo de operaciones (espesor, flecha, alargamiento, entre otros) y como el CLmax  tiene un valor más pequeño en relación a perfiles empleados para volar a baja velocidad, la velocidad de pérdida será mayor como lo serán las velocidades de despegue y aterrizaje. De esta manera, las longitudes de pista son un factor importante a tener en cuenta y para ello existen dispositivos capaces de cambiar momentáneamente los valores de CLmax permitiéndole a las aeronaves volar a velocidades más bajas.

A los dispositivos capaces de incrementar el CLmax y con ello retrasar la velocidad de pérdida, permitir el vuelo a bajas velocidades y disminuir las distancias de operación en el despegue y aterrizaje se los llama hipersustentadores.

Sopladores y aspiradores de capa límite / generadores de vortices

Antes de adentrarnos en los dispositivos hipersustentadores per se, debemos considerar dos formas de energizar la capa límite para aumentar el CLmax.

Los sopladores, son ranuras ubicadas en el extradós (pueden estar próximos al B.A o cercanos al B.S cuando son empleado los flaps) que generalmente funcionan con extracción de aire de los motores del avión haciendo que se inyecte aire extra a la capa límite para evitar que se desprenda.

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  • Los aspiradores se ubican en el extradós en donde se considera que la capa límite va a desprenderse. Es una bomba de vacío que tiene la función de disminuir la presión para que la capa se mantenga pegada a la pared y las partículas de aire que llegan a ese punto con poca energía sean absorbidas (aspiradas) y retiradas de la capa límite.
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Si bien ambos aumentan el CLmax, los sopladores a diferencia de los aspiradores, modifican el momento de cabecero y en el caso de ambos la obtención de un mayor CL no es gratis porque implica un aumento significativo de la resistencia inducida.

  • Generadores de vórtices: son pequeños perfiles que se ubican en el extradós en donde la etapa de transición de flujo laminar a turbulento. Estos pequeños perfiles también generan sustentación y su función principal es tratar de energizar la capa turbulenta adhiriendo más aire para retrasar la aparición de la pérdida.
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Ranuras de borde de ataque (Slats)

Forma parte del ala y va adosado al borde de ataque y debe cumplir con la característica de abrirse cuando se requiera aumentar el CL, es decir, cuando se incrementa el ángulo de ataque. A estos dispositivos se los llama generalmente, slats.

Existen algunos slats que trabajan en conjunto con los flaps. Cuando se accionan los flaps, el slat trabaja en forma coordinada con la selección de flap y en este caso generalmente su funcionamiento depende del sistema hidráulico del avión. En otros casos, los slats trabajan en forma mecánica, extendiéndose cuando se incrementa el AOA.

En la imagen se puede apreciar cómo trabaja este dispositivo. Cuando el AOA es pequeño (alta velocidad) están totalmente retraídos pero al incrementar el AOA, comienzan a abrirse para permitir que no se desprenda la capa límite. De esta manera, se incrementa el CLmax, se retrasa la pérdida y se puede volar a menor velocidad.

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El efecto de la ranura es completamente análogo a un soplador de capa límite, ya que al existir mayor presión en el intradós que en el extradós, el aire tiende a fluir a gran velocidad comunicando energía a la capa del extradós. La variación que produce en el momento de cabeceo es despreciable y la resistencia del perfil es prácticamente la misma.

Flaps

Los flaps son dispositivos que se desprenden del ala y tienen la función principal de aumentar el CLmax. Trabajan en forma eléctrica e hidráulica. Existen del tipo de borde de ataque y de borde fuga que son lo que utilizan todos los aviones. Su función principal es aumentar la curvatura del perfil y de esta manera incrementar considerablemente el CLmax.

Los flaps de borde de ataque trabajan en conjunto con el accionamiento de los flaps y dependen del sistema hidráulico del avión. Los más conocidos son del tipo KRUGER y BETZ. El aumento de la resistencia es muy pequeño como se puede apreciar en la curva polar. 

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Hoy en día los más empleados son los flap de borde de ataque. Los KRUGER y BETZ se utilizan en aviones más antiguos. 

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Dentro de las variables de flaps de borde de fuga, podemos encontrar diferentes tipos:

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Los dispositivos hipersustentadores, incrementan notablemente la sustentación pero también la resistencia. Nótese en la curva polar lo mencionado. El flap FOWLER en relación otro tipo de flap, aumenta considerablemente el CL, pero también es el que genera mayor resistencia. Este tipo de flap son los más empleados en aeronaves comerciales.

En el caso de los flaps tipo FOWLER, el dispositivo forma parte del borde de fuga del ala aumentando la curvatura y por ende la cuerda lo que hace que aumente el área efectiva del ala. El flap FOWLER tiene varias secciones que actúan como pequeños perfiles, existiendo circulación de aire entre intradós y extradós al igual que en el flap del tipo sencillo ranurado. En general el aumento de la curvatura del perfil que producen los flaps se traduce:

  • Aumento del CLmax a cualquier ángulo de ataque.
  • Aumento del coeficiente de cabeceo negativo (tendencia a picar).
  • Variación del ángulo de ataque al que se produce sustentación nula (se hace más negativo).
  • Permanece inalterable la pendiente de la curva de CL en función del ángulo de ataque.
  • El ángulo de ataque en el que ocurre la pérdida prácticamente no varía.
  • La resistencia aumenta significativamente lo que hace que la polar se desplace a la derecha.

En el caso de aviones de ala alta, el aumento de resistencia que generan los flaps provocan, además de una tendencia a picar, un incremento del momento de cabeceo respecto de c.g porque en este tipo de aviones de ala alta, el brazo del momento es de mayor magnitud que en otro tipo de aviones.

Ahora analicemos el siguiente diagrama considerando:

  • Primer caso: aceleración luego del despegue.
  • Segundo caso: desaceleración para realizar una espera y posterior iniciar una aproximación con final y aterrizaje.

Si bien nuestro mayor objeto de análisis es como varía el CLmax con los dispositivos hipersustentadores, no podemos dejar de lado el componente CD que tiene gran importancia en las diferentes fases de vuelo. El punto de transición corresponde a una velocidad determinada para extender o retraer los flaps (intersección de ambas curvas). Por ejemplo: el punto para retraer los flaps luego del despegue es de 150 nudos y para extender los flaps en preparación para la configuración de aterrizaje es de 150 nudos también (PUNTO DE TRANSICIÓN).

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1° caso: para disminuir la carrera de despegue se emplea una configuración de flap determinada. Generalmente, estos valores son pequeños porque una configuración con altos ángulos de flap penalizarán la aceleración, carrera de despegue y ascenso porque aumenta notablemente CD. Partiendo de la posición A luego del despegue y con poca aceleración, es decir con CL o ángulo de ataque grande, se procede a desconfigurar el avión (al menos 400 pies en operaciones de aviación comercial) lo que implicaría pasar al punto A´. En este caso se puede apreciar que si bien el CL se mantiene constante para cumplir con la ecuación L=W, se ha incrementado CD lo que quiere decir que la resistencia aumentó. Si traducimos esto a velocidad en base a la referencia de 150 nudos del punto de transición, diríamos que estamos desconfigurando el avión con menor velocidad (140 nudos por ejemplo). Esto puede ser crítico porque es necesario que el avión se acelere en cierta distancia para poder mantener el ángulo de ascenso deseado y lo que estamos logrando en este caso es imponer una condición de mayor resistencia en una situación en la que generalmente se está empleando entre el 90% y 100% de la potencia o empuje disponible. El margen de potencia o empuje remanente para la aceleración es pequeño.

2° caso: en la aproximación a una espera, partiendo del punto B´ con bajo ángulo de ataque o CL se extienden los flaps (punto B). Lo que vemos, al igual que en el punto anterior, es que el CL se mantiene, pero ha aumentado la resistencia. En este caso, partiendo de la misma condición que la anterior, 150 nudos punto de transición, diríamos que estamos configurando el avión a mayor velocidad (160 nudos por ejemplo). El aumento de resistencia traerá aparejado una más rápida desaceleración y por ende el consumo de combustible será mayor por tener que aumentar la potencia o empuje para mantener la velocidad hasta llegar al punto deseado.

Por lo general se le suele dar al piloto una velocidad recomendada de maniobra con una configuración de flap establecida. Además de esto, también existen las limitaciones de diseño estructural de las superficies hipersustentadoras que limitarán su operación pero no son objeto de estudio en este caso. Aquí solamente estamos estableciendo una condición del punto adecuado de configuración o desconfiguración en fases críticas. Ahora bien, ¿se puede utilizar los flaps a otra velocidad que no sea la del punto de transición? Si, se puede, pero estaríamos incurriendo en todo lo que describimos anteriormente (aumento de la resistencia).

Spoilers

Otros dispositivos que no necesariamente contribuyen a aumentar el CL sino a romperlo son los spoilers (rompedores) que se ubican en el extradós y pueden tener varias posiciones. Dependiendo de la posición será la función, ya que totalmente deflectados se emplearán como frenos aerodinámicos en tierra y las deflexiones de ángulos más bajos se emplearán en vuelo con la función de frenos de vuelo. Además, contribuyen a la estabilidad lateral funcionando automáticamente con los alerones. Como los spoilers generan resistencia son útiles a grandes velocidades cuando la efectividad de los alerones es escasa producto de los efectos de la comprensibilidad y aeroelasticidad. Para evitar los grandes esfuerzos de torsión que soporta el plano contrario al que sube cuando se realizan virajes (aviones con gran alargamiento) el plano que baja, dependiendo de la deflexión de alerones, emplea los spoilers para mantener la estabilidad en los virajes y evitar derrapes (en el B-737 con más de 10° de inclinación actúan los spoilers en forma automática).

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En la imagen podemos observar el ala de un B-737 800. En la misma se indica la posición de los spoilers. Como se puede apreciar son varias superficies. En vuelo se emplean algunas de ellas  como aerofrenos y cuando el avión hace contacto con el suelo se despliega la totalidad de las superficies (spoilers) con el objetivo de romper lo más que se puede la sustentación y lograr que el avión, además de desacelerarse, apoye el total de su peso sobre la pista para que la efectividad de los frenos sea mayor.

Durante los descensos, se utilizan manualmente como aerofrenos para aumentar la pendiente sin un incremento significativo de la velocidad. Se emplean generalmente cuando hay que corregir la trayectoria de descenso por encontrarse por encima de la misma (alto).

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En tierra actúan manualmente o automáticamente cuando el tren principal hace contacto con la pista y de esa manera se produce la apertura total del dispositivo para mejorar las capacidades de desaceleración aerodinámica y frenado al permitir que todo el peso del avión apoye sobre la superficie. Los aviones comerciales tienen varios spoilers por ala, de los cuales se emplean un grupo en vuelo y en tierra todos juntos para generar una resistencia mayor.

Reflexiones finales

  • Las velocidades de operación en las fases de despegue y aterrizaje exigen mantener los niveles de sustentación (CL) elevados a baja velocidad para poder reducir las distancias de despegue y aterrizaje. Los dispositivos hipersustentadores contribuyen a aumentar considerablemente el CL permitiéndole a las aeronaves operar con velocidades muy por debajo del vuelo normal (crucero).
  • En rasgos generales son mayores los beneficios en cuanto a incremento de sustentación respecto de la resistencia pero no podemos dejar de considerar a CD como una variable importante que puede llegar a tener grandes implicancias negativas cuando se requiere aceleración.
  • Tanto hipersuspentadores, sopladores, aspiradores o generadores de vórtices tienen el objetivo de retrasar la aparición de la pérdida variando el CLmax y en el caso de los hipersustentadores permiten operar a las aeronaves con grandes ángulos de ataque y baja velocidad haciendo posible realizar despegues y aterrizajes en una menor distancia. Los márgenes de seguridad respecto de maniobrabilidad a baja velocidad se mantienen.
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