Ala (aeronáutica)
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Sumario
Funciones
El ala cumple varias funciones, además de la de proporcionar sustentación. En los aviones más grandes, los motores se instalan en barquillas sujetas al ala o montadas sobre ella. Las barquillas pueden servir también para alojar el tren de aterrizaje cuando éste se retracta. El espacio vacío dentro del ala generalmente se utiliza para almacenar el combustible.
Muchas de las funciones de control del avión las proporcionan dispositivos especiales construidos como parte del ala. Los más notables son los alerones, aletas movibles que ocupan la parte exterior cercana a la punta y forman el borde de salida del ala. Más cerca del fuselaje, y también en el borde de salida, se encuentran las aletas de aterrizaje, partes movibles que se desplazan hacia atrás y hacia abajo durante el aterrizaje para incrementar la capacidad de sustentación del ala a baja velocidad.
A través de su uso, el avión puede aterrizar más lentamente, o la cantidad de combustible, o el número de pasajeros, pueden ser aumentados a una velocidad dada de aterrizaje. Algunos aviones tienen frenos aerodinámicos para desacelerar a través de un aumento de resistencia al avance. Un dispositivo de esta naturaleza, colocado sobre el ala, un poco adelante de las aletas de aterrizaje, se utiliza de un solo lado en cierto instante, haciendo disminuir la sustentación en esa ala. Actuando como un alerón, este dispositivo se utiliza para control de giro sobre el eje longitudinal del avión.
Carga
La carga alar es una medida de carga por cada unidad de área del ala. Las unidades más usadas son: libras por pie cuadrado y kilogramos por metro cuadrado. Como una regla general, los aviones de menor velocidad son más pequeños, tienen cargas de ala menores y son más maniobrables.
Estructura
En una aeronave, la combinación de paneles exteriores fuselados para proporcionar las superficies aerodinámicas de sustentación y los miembros de apoyo interiores que transmiten la fuerza de sustentación al fuselaje, reciben el nombre de estructura de un ala. La estructura se puede describir como una integración del medio externo del ala, la forma aerodinámica de dicha ala y el uso que se propone dar al vehículo. La interacción de estos tres aspectos de diseño lleva a la selección del material, al concepto estructural general y, finalmente, a la selección detallada de formas estructurales, espesor de los materiales, uniones y puntos de fijación. El resultado es un armazón estructural cubierto con un forro metálico que contribuye también a la función de soportar la carga.
La estructura del ala se ha desarrollado a partir del uso primitivo de madera, lona barnizada y alambre. Hoy en día, los forros exteriores de aleaciones de aluminio son elementos primarios estructurales en todos los transportes comerciales, así como en la mayor parte de las naves de uso militar. Se utilizan también magnesio, acero y titanio en la estructura interna principal, así como en áreas locales específicas del forro. Las más exóticas naves de investigación, como el X-15, se construyen, por lo menos parcialmente, con aleación de níquel. Algunos materiales aun menos convencionales pueden utilizarse para estructuras de naves diseñadas para reingreso a la atmósfera.
La derivación de las cargas netas permite una consideración cuantitativa del armazón estructural general. Sin embargo, el diseño de la estructura es inseparable de la selección del material. El espesor y la forma de las partes individuales afectan también la resistencia en estructuras eficientes y de peso ligero, a causa de los modos de estabilidad de compresión.
La alta resistencia estática y el peso ligero -aunados a características razonables de rigidez, resistencia a la corrosión y a la fatiga, costo y moldeabilidad- son consideraciones primarias en la selección del material para una célula. Estas células, que soportan grandes cargas con alta eficiencia, han encontrado estas cualidades en el aluminio. Sin embargo, tal parece que la demanda de mayor velocidad en la interacción con el medio físico, hará que el aluminio sea reemplazado por el acero, los refractarios, la cerámica, y compuestos de éstos. Otros parámetros importantes en la actualidad son las características de resistencia a la ruptura y resistencia en carga, a alta temperatura, en los materiales.
Armazón estructural principal
Esencialmente, la estructura de un ala de aeronave consta de dos vigas en voladizo, sujetas una a la otra. Cada extremo del ala es el final libre del voladizo, y la línea central del vehículo representa el plano en el cual se unen los dos extremos fijos de aquel. La principal porción que soporta la carga de estos voladizos es una caja de vigas, generalmente formada por dos o más tramas, más una porción principal de los forros superior e inferior del ala, que sirven como patines de la viga. Esta caja también proporciona resistencia y rigidez torsionales. Normalmente, la caja principal está diseñada para soportar todas las cargas estructurales principales.
Las porciones de borde de ataque y salida del ala, adelante y atrás, respectivamente, de la caja principal, ayudan a proporcionar la forma aerodinámica requerida. El diseño de estas dos partes minimiza su participación en la función principal de soportar las cargas.
En numerosos sitios dentro de la caja del ala, se encuentran estructuras tipo mampara, llamadas costillas. Estas estructuras internas sirven para mantener la forma rectangular de la caja y para reducir la longitud sin apoyo de las estructuras de la cubierta de presión causada por las cargas aéreas; para separar los tanques de combustible y para distribuir las cargas concentradas de armas, bombas, tren de aterrizaje o motores, dentro de la caja principal. Se encuentran también localizadas en cualquier sección perpendicular del ala, en donde tienen lugar las más notables redistribuciones de cargas.
Estructura del borde de ataque
El borde de ataque o porción más adelantada del ala, sirve a una importante función aerodinámica al establecer un flujo uniforme de aire y una fuerza de sustentación eficiente para el ala. Esta área soporta las presiones aerodinámicas más altas. En el caso de vehículos hipersónicos, también es el punto más crítico del diseño. Estructuralmente, el borde de ataque es un apéndice, un miembro de la estructura aerodinámica cuyas cargas locales deben ser soportadas por la caja principal del ala. Esta estructura toma la forma de viga en voladizo, o de estructura del tipo de arco, desde el borde delantero, líasta la viga vertical frontal.
Frecuentemente, el borde delantero de una aeronave tiene incorporados medios para combatir la formación de hielo durante el vuelo. Gran parte de las aeronaves tienen superficies de borde de ataque con ranura en las alas. Estas pequeñas secciones aerodinámicas son impulsadas hacia fuera y hacia delante en forma automática por la presión del aire, y sirven para mantener un flujo regular sobre el ala a un ángulo de ataque más alto en comparación con el que proporcionaría la forma aerodinámica básica de mayor curvatura. Al decrecer el ángulo de ataque, estos dispositivos son retraídos dentro de la forma básica aerodinámica del ala, por medio de resortes.
Estructura del borde de salida
La estructura del borde de salida es digna de atención por sus diversos dispositivos auxiliares, que ayudan en el control de la aeronave, o contribuyen a reducir las velocidades de aterrizaje de la misma. El espacio situado detrás de la viga posterior de la caja principal es llenado por completo con varias formas de aletas, alerones y superficies de frenado, y sus mecanismos de control hidráulicos o eléctricos.
Las aletas de aterrizaje consisten en una estructura móvil de forma aerodinámica, localizada detrás de la viga posterior junto al fuselaje. Estas aletas ocupan alrededor de dos tercios de la envergadura del ala. Su función aerodinámica es la de incrementar la sustentación, permitiendo así velocidades más bajas de despegue y aterrizaje.
Los alerones están localizados cerca de los extremos de las alas, en el borde de salida. Su principal función aerodinámica es el control de giro de la aeronave sobre su eje longitudinal. Estructuralmente, el alerón es semejante a las aletas de aterrizaje.
Las superficies de frenado son una forma especial de superficie de control y llevan también a cabo la función aerodinámica del alerón, o sea, el control de banqueo de la aeronave. Están localizadas en la superficie superior del borde de salida, aproximadamente al centro del largo de un ala, y se deflexionan solamente hacia arriba por medio del control del piloto. Estas superficies también son usadas durante la carrera de aterrizaje del avión a fin de evitar que corrientes de aire generen sustentación y se pierda efectividad del frenado de las ruedas sobre el piso.
Estructura del ala al fuselaje
El corazón estructural de la aeronave es la unión del ala al fuselaje. Esta conexión es generalmente la más compleja en forma y en análisis. Deben unirse dos elementos estructurales principales, el ala y el fuselaje, con grandes cargas en ángulos rectos la una de la otra, y además deben analizarse para localizar deformaciones consistentes. Las estructuras del ala que se han descrito, están sujetas a fuertes anillos de aluminio o cuadernas. Estas cuadernas distribuyen las cargas del ala hasta los forros o cubiertas del fuselaje.
