Merecen ser mencionados algunos casos especiales de sistemas de reducción de vórtices de punta de ala. A continuación, mostraremos distintos tipos que fueron apareciendo en los últimos años, algunos más exitosos que otros.
Una de estas soluciones lo constituyó en una combinación de los ya vistos “Wingtip tanks” adosándoles aletas horizontales, que demostraron ser bastante eficientes. Se usaron en aeronaves tales como el entrenador biplaza Lockheed T-33 “Shooting Star”. Una foto de este avión se muestra en la imagen siguiente.
Las “Wingtip sails”: Su historia.
Continuando con la forma de explicarle a usted de la manera más gráfica, intuitiva y conceptual posible, sin entrar en formulas ni ecuaciones complejas, le mostraré a continuación un ejemplo de las “Wing tip sails”, que podemos encontrar en la naturaleza:
En la imagen anterior, podemos observar en qué consisten, y que son las Wing tip sails: vemos como las puntas de las alas de este cóndor se separan, dejando espacios de aire entre sí, y como, además, los ángulos de ataque de cada pluma son distintos, formando una superficie escalonada, en donde las plumas cercanas al borde de ataque están con un mayor ángulo relativo que las cercanas al borde de fuga. Esto provoca los siguientes efectos:
- El aire del intradós con el del extradós solo se mezcla en las zonas donde no hay plumas;
- Las masas de aire restantes, son contenidas por las plumas, que extienden el punto de mezcla más lejos de las puntas de cada ala,
- Las estelas de vórtices, de las zonas más alejadas (con plumas), tienden a mezclarse con las zonas sin plumas, generando una interferencia que tiende a reducir los mismos, e incrementar la sustentación.
Analicemos en detalle estos tres fenómenos. Si observamos la imagen siguiente, vemos que nuestro cóndor en la semiala izquierda presenta una curvatura de sus plumas, mientras que en la semiala derecha sus plumas en la punta se separan, y no solo eso, sino que se alabean, formando cada pluma un ángulo de ataque distinto.
En esta imagen se muestra un detalle importante: Las alas del cóndor se adaptan a las corrientes de aire, interactuando con las mismas según sus necesidades del vuelo; esto es algo que los diseñadores de aviones fueron descubriendo de a poco, ya que, inicialmente, las aeronaves eran rígidas, angulosas; sus formas iban totalmente en contra de lo que las leyes de la aerodinámica exigían. Con el tiempo, con la experiencia, se fue descubriendo que una aeronave debe hacer lo que el cóndor de nuestra imagen hace: adaptarse a las corrientes de aire, y no al revés, y así reducir drásticamente la resistencia al avance. Desafortunadamente, nuestra tecnología aún no ha podido reproducir la mecánica de las plumas de las aves, que pueden adaptar su forma y ángulo según las condiciones cambiantes del vuelo.
Una aproximación a este ingenioso sistema usado por ciertas aves, fue el desarrollado John Spillman, del Instituto de Tecnología de Cranfield, Inglaterra, en 1978, y consistía en 2 o 3 aletas de alta relación de aspecto adosadas a las puntas de cada ala, con una ranura de aire entre cada una, y colocadas a distintos ángulos; en las pruebas en túnel de viento, descubrió que estas pequeñas aletas colocadas en distintos ángulos, de manera escalonada, no solo disminuían los vórtices de punta de ala, sino que generaban sustentación. Y esa fue la razón de porque a este sistema se lo llamó “Wingtip sails” (velas en inglés): estas aletas actúan de una manera similar a la de la vela de un yate cuando está navegando contra del viento, que, al pasar sobre la superficie convexa de la vela inflada, genera una fuerza de sustentación, impulsando a la nave.
Se están haciendo diseños avanzados para aeronaves de mayores dimensiones usando este tipo de sistemas, y con materiales que permitan modificar la forma; un concepto que usa esta configuración fue presentado por la Airbus, en una aeronave cuatrimotor, bautizada “Bird of prey”:
Una variante de los Wingtip sails, muy usada en planeadores, la constituyen los llamados “Grid Wingtips”, que consisten en aletas escalonadas en cada punta de ala, con placas en cada extremo. Un ejemplo de este tipo de aletas lo podemos ver en la imagen que sigue.
Algunas características de este tipo de configuración de aletas de puntas de alas son:
- La circulación es absorbida por la grilla de las aletas a lo largo de la cuerda del borde del ala principal.
- La circulación segmentada se transfiere al final de la grilla de aletas, aumentando el espaciamiento del vórtice y alejándolo de las cercanías del ala.
- La distribución de sustentación en las distintas aletas de la grilla resulta en una reducción de la energía del vórtice que se desprende de las puntas de cada semiala.
- La resistencia inducida se reduce por la rejilla alar hasta un 60%, lo que corresponde a un factor de eficiencia de envergadura de más de 3, lo que significa que la resistencia total se puede reducir hasta un 50% dependiendo de la velocidad y el diseño.
Los Wingtips “espirales”
Este tipo de solución, consiste en una aleta de forma cilíndrica, semejante a una cinta unida por sus extremos formando un bucle, en donde sus paredes tienen forma de perfil aerodinámico. Fue inventada en 1992 por Louis B. Gratzer, y su función es la integrar una superficie sustentadora con la reducción de la resistencia inducida, y la disminución de la vorticidad y mitigar el ruido asociados en las puntas de cada semiala. Estas espirales se colocan en las puntas de cada ala, teniendo la particularidad que poseen simetría espejada. El espesor del perfil a lo largo de la espiral no es constante, sino que varía según el ángulo de inclinación del mismo, siendo un mínimo en la zona donde el ángulo de barrido es cero. La curvatura y la torsión varían linealmente. El aumento del tamaño del espiroide en relación con el espacio total de la superficie de sustentación se utiliza para reducir aún más la resistencia aerodinámica y el ruido. Sin embargo, esta clase de dispositivos presentan mayor flutter en las puntas de las alas. Su uso está muy difundido en los aviones ejecutivos (Tipo Dassault Falcon 50, Gulfstream II, entre otros). En la imagen siguiente, podemos ver el diseño original, mostrando la forma y una sección de este tipo de Winglet tipo “espiroidal”.
En esta otra imagen podemos ver un Falcon 50 en vuelo, con estas aletas en espiral.
Las “Wingtip turbine”
Otra propuesta al problema de los vórtices en la punta de las alas consiste en agregar unas pequeñas aletas adosadas a un eje, a modo de una turbina, para que el vórtice que se desprende de la punta de cada ala las haga rotar, absorbiendo así la energía rotacional del mismo, y aprovechando esta rotación para, por ejemplo, mover un pequeño generador eléctrico, para alimentar sistemas electrónicos de la aeronave. Este sistema fue patentado por la NASA en 1990, probándolo en una aeronave monomotor Piper “Arrow”, como se ve a continuación.
Esta idea pronto se descubrió que no era apta para aeronaves de mayor porte, o comerciales, dado que colocar pequeñas turbinas en las puntas de las alas no es un buen lugar para poner un generador eléctrico, por una serie de razones técnicas:
En primer lugar, el momento de flexión del ala llega a ser máximo en las puntas, lo que requiere una estructura más pesada allí, mientras que desde un punto de vista aerodinámico debe reducirse. Además, la sustentación se genera principalmente en la parte media del ala y por lo tanto la estructura tiene que ser capaz para transferir la carga a las puntas.
Desde el punto de vista de la potencia, una condición de salida del motor hace que el avión sea difícil de controlar existiendo empuje en la punta del ala. Contra estas y otras desventajas, no hay ventajas obtenidas por una colocación de turbinas de punta de ala. Es por eso que solo quedó en la fase experimental.
