Continuando con el artículo anterior de la serie sobre los Winglets, hoy veremos más modelos y variantes que fueron apareciendo a medida que el conocimiento y los ensayos en túnel de viento fueron mejorando el diseño original de Whitcomb. También veremos una breve historia de cómo los Winglets cruzaron el atlántico, y en Europa se transformaron en “Sharklets”. Luego Boeing respondería con los “Split Scimitar Winglets” …
Los “Wingtip Fences”
Merece un tratamiento especial este tipo de elemento de punta de ala, cuyo pionero en el uso en aeronaves comerciales fue la empresa Airbus, y la primera aeronave en llevarlo fue el Airbus A320. Si bien a simple vista, pareciera ser una variante de los Winglets, cumple una función muy distinta: principalmente se usan para inhibir la entrada en pérdida y la separación de la capa límite del extradós cuando la aeronave vuela a bajas velocidades, con los flaps extendidos.
Estas “barreras” comenzaron a usarse cuando las aeronaves – tanto civiles como militares – adoptaron el ala en flecha, y se detectaron corrientes laterales de aire a lo largo del extradós de las alas. Para impedir esto, que provocaba una separación de la capa límite de aire sobre el ala, y el peligro de entrada en pérdida (“stall” en inglés), se colocaron placas verticales sobre el extradós, para, justamente, crear una “barrera” para esas corrientes laterales. Este tipo de elementos podemos verlo en aeronaves como el caza ruso MiG 15, o la aeronave comercial BAC 1-11.
En el caso de los “Wingtip fences”, se usan en las puntas de las alas, y como se mencionó arriba, tienen una utilidad para las fases de baja velocidad, es decir, el despegue y el aterrizaje. Esta es la diferencia principal con los Winglets, ya que estos últimos aprovechan la energía de los vórtices de punta de ala para convertirla en menor resistencia inducida, y una mayor sustentación, y, a diferencia de los Wingtip Fences, los Winglets se diseñan especialmente para velocidades de crucero. Y para que quede bien claro, tanto los Wingtip Fences como los Winglets no son una opción en la cual se deba elegir entre uno u otro: cada uno aborda un área distinta de aplicación en la aerodinámica.
Como desventaja, los Wingtip Fences incrementan la resistencia aerodinámica de superficie – y por ende la resistencia aerodinámica total – lo que hace disminuir un poco la performance de la aeronave. En la siguiente imagen podemos apreciar un “Wing Fence” de una aeronave Airbus A320:
Nacen los “Sharklets”
En Europa, la empresa Airbus siguió de cerca el desarrollo y la rápida expansión de los Winglets que se estaba realizando en América, en las aeronaves comerciales, y decidió encarar su propio proyecto. La experiencia ganada en sus primeras aeronaves (A300/A310) con los Wingtip Fences le sirvió para que luego vinieran instalados directamente de fábrica con la serie A320.
Luego del éxito obtenido con sus Wingtip Fences, Airbus decidió dar el siguiente paso evolutivo, para reemplazar estos dispositivos usados en sus modelos anteriores por diseños más avanzados, y más eficientes.
Tomando como modelo base de pruebas el Airbus A320, se realizaron mejoras al diseño original de Whitcomb, incrementando su eficiencia: mientras que los Winglets solo deflectaban la porción superior de la capa límite, los dispositivos desarrollados por Airbus deflectan ambas capas, la del extradós y la del intradós, consiguiendo un ahorro de consumo de combustible en hasta un 4%, reduciendo la emisión de gases CO2 en unas 900 toneladas al año por aeronave, incrementando el alcance en 150 millas náuticas (278 Km) y un incremento de la carga útil (payload) en unos 450 Kg.
Si bien con el agregado de estas nuevas superficies supuso un incremento en el peso de unos 200 Kg, la reducción de resistencia inducida compensó este aumento en una disminución de peso en la estructura de la raíz del ala, debido a la menor carga aerodinámica soportada, dando por resultado un incremento cero en el peso.
Estos resultados, animaron a los diseñadores de Airbus a incorporar como dotación estándar de producción a estos nuevos elementos, en todas las aeronaves A320 que salieran de la fábrica a partir del año 2013, rebautizando a la aeronave A320neo (neo = New Engine Option), y llamando a estos elementos agregados, “Sharklets”, por su semejanza con las aletas de tiburón.
Los Sharklets son unas aletas de unos 2,5 metros de altura cada una, que alargan la semiala del A320neo un poco más que en el A320 de base. Para tener una idea del incremento que provocan en la envergadura, en el caso de los A330neo, su envergadura es de 64 metros, en comparación con los A330ceo (ceo = Current Engine Option) que presentaban una envergadura de 60,3 metros.
Para fines del 2013, los pedidos de la nueva aeronave ya llegaban a las 200, incluida una compañía de Estados Unidos, JetBlue.
Como dato adicional, la primera aerolínea en usar el A320 modificado con el agregado de los Sharklets fue AirAsia, una empresa aérea de bajo costo de Malasia, que incorporó el primer A320 con Sharklets en septiembre de 2012, y en Latinoamérica, la primera aerolínea en incorporar a su flota el A320 con Sharklets fue Avianca, en 2013.
La respuesta de Boeing
La empresa Boeing analizó esta mejora aplicada por Airbus que devino en los Sharklets, y decidió evolucionar sus Winglets hacia elementos más eficientes, en aras de competitividad con el fabricante europeo. Es así que, en mayo de 2012, Boeing anuncia el diseño de una tecnología de Winglets más avanzada, para su futura aeronave 737 MAX. Este nuevo diseño prometía incrementar un ahorro en el consumo de combustible de 4% que había hasta ese momento con los dispositivos de puntas de ala convencionales, a un 5,5% para la misma distancia recorrida; en palabras de Michael Teal, ingeniero jefe del proyecto 737 MAX: “El concepto es más eficiente que cualquier otro dispositivo de punta de ala en el mercado, porque el aumento efectivo de la envergadura es únicamente equilibrado entre las partes superior e inferior del Winglet”.
Unos meses después, en agosto del mismo año, decidieron anunciar de manera oficial al nuevo elemento, llamándolo “Split Scimitar Winglet”, o “Winglet cimitarra dividida” por su aspecto de una espada tipo cimitarra dividida en dos, o una “V”.
Antecedentes
El ingeniero de la Mc Donnell Douglas, Robb Gregg, que cuando ésta se fusionó con Boeing en 1997, pasó a ser jefe de aerodinámica, había sido pionero en la instalación de Winglets en aviones a mediados de la década de 1980, en una aeronave MD-11, un modelo mejorado del DC-10, al que en sus últimas versiones se le agregaron superficies verticales en las puntas de ambas alas, y además se le adosaron aletas inclinadas hacia abajo, un poco más adelantadas que las verticales, para mejorar las condiciones de entrada en perdida a bajas velocidades. Mc Donnell Douglas también había previsto dotar de esta nueva configuración de Winglets en sus modelos MD-12, una revolucionaria aeronave de 4 motores y dos pisos, que nunca llegó a producirse en serie.
Es así que en 2011 Gregg propone utilizar estos elementos ya usados en el MD-11 para mejorar las prestaciones de las últimas versiones del Boeing 737, dotados de “Blended Winglets”, que demostraron un rendimiento un poco inferior a los Sharklets de Airbus. En principio, la Boeing estaba reticente a incorporar estos elementos a sus diseños del 737 MAX, pero Gregg insistió y aportó datos de estudios sobre modelos fuidodinámicos realizados en computadora, que predecían las características y la resistencia aerodinámica de manera precisa. Ensayos en túnel de viento comprobaron estas predicciones, y en diciembre de 2013 Boeing decide incorporar estos nuevos diseños de Winglets a sus Boeing 737 MAX.
Estos nuevos dispositivos, eran básicamente dos Winglets: Uno, con un diedro positivo, igual que un Winglet convencional, y el otro, con diedro negativo, era un poco más pequeño que el superior, y dado que ambos cuentan con sus extremidades ahusadas, y con una curvatura hacia atrás, semejantes a la hoja de una cimitarra, es por eso que el fabricante los llamó «scimitars«. Esta nueva generación de Winglets fue el resultado de sumar el trabajo independiente de Aviation Partners y Boeing. Un dato curioso es que estos nuevos elementos, si bien fueron diseñados en Estados unidos, se construyeron en Austria.
Los “Split scimitar Winglets” trabajan de manera similar a los convencionales, pero, a diferencia de estos últimos, dividen la corriente de aire del extradós y el intradós, derivando la corriente de aire superior hacia arriba, y mezclándola con el aire circundante del intradós del Winglet superior; el aire que viene del intradós del ala, en cambio, es dirigido por el Winglet inferior a mezclarse con la porción de aire inferior, y ambas superficies generan una fuerza de sustentación, al mismo tiempo que disminuyen la resistencia inducida. Esta sustentación extra, hace que con un ala de una determinada envergadura su sustentación total sea equivalente a un ala más larga. Este mismo efecto ya lo vimos en capítulos anteriores que se obtenía con los Winglets convencionales, pero en este caso el efecto es mayor.
En la imagen siguiente vemos una representación del recorrido aproximado de las corrientes de aire en esta clase de elementos:
