LLuego de el gran éxito que los Winglets y los Sharklets trajeron a la aviación comercial, las fábricas de aeronaves tomaron nota de esto, y ya no lo incluyeron como un complemento adicional, o accesorio opcional, sino como un componente esencial e inseparable de toda aeronave, como lo son las alas, o los motores. Los Winglets / Sharklets vinieron para quedarse.
Es así que las dos grandes fábricas de aeronaves, a ambos lados del Atlántico, decidieron incorporar estos dispositivos en los subsiguientes modelos de serie.
En las aeronaves como A320, o B737, o similares de menor porte, los Winglets / Sharklets demostraron su máxima eficiencia; el problema comenzó a surgir cuando las fabricas experimentaron con aeronaves de mayor envergadura, y mayor alcance, como por ejemplo Boeing 747, en donde la ecuación no arrojaba resultados tan positivos, es más, apareció una disminución en el rendimiento en ahorro de combustible, sobre todo en vuelos de ultramar.
Esto llevó a los diseñadores a volver al tablero de diseño e investigación, y luego de ensayos de prueba y error, simulación por computadora, y horas de pruebas de modelos en túnel de viento, se descubrió que, usando una punta de ala con terminación casi triangular, como si estuviera quebrada, o “rasgada”, mejoraba notablemente la eficiencia y la disminución del consumo de combustible en vuelos de largo alcance, y a bajos ángulos de ataque, como ocurre en la fase de crucero. A esta nueva clase de dispositivos de punta de ala se los llamó “Raked wingtips” o “dispositivos de punta de ala rasgados”, por el ángulo hacia atrás que presentan las puntas de las alas en su vista en planta, similares a la forma que pliega las puntas de sus alas una gaviota en vuelo.
Esta clase de aves, como gaviotas, golondrinas, albatros, que vuelan en espacios abiertos, con vientos constantes, y deben estar sobre el mar por periodos prolongados, recorriendo grandes distancias, necesitan alas de gran eficiencia, para poder mantener el vuelo con poco gasto de energía muscular, y este tipo de configuración de punta alar fue la solución ideal.
Ventajas y desventajas de cada tipo
Como vimos en capítulos anteriores, los Winglets / Sharklets reducen la resistencia inducida, con el agregado de un poco de sustentación, debido a la forma en la cual los vórtices de punta de ala enfrentan el borde de ataque de estos, pero eso solo sucede cuando el ala está en ángulos de ataque más elevados, como en las pendientes de ascenso. Los aviones con Winglets / Sharklets demostraron ser más eficientes en vuelos de cabotaje, o rutas de corto alcance. La máxima eficiencia y el ahorro de combustible ocurrían en las fases de ascenso y aproximación y disminuían un poco en la fase de crucero de todo el vuelo. Esto puede parecer extraño, pero los ingenieros probaron que es así.
Las “Raked Wingtips” por otro lado, contribuyen muy poco a la generación de sustentación, su contribución principal es reducir la resistencia inducida de una manera especial, alejando los vórtices de punta de ala hacia el exterior y hacia atrás de las alas, y redistribuyendo la sustentación a través de toda el ala (carga alar), haciéndola más uniforme, disminuyendo la fatiga y vibraciones en las alas. El resultado es una distribución más pareja de la sustentación, haciendo que el diseño de la estructura del cajón alar necesite menos refuerzos, alivianándola, y aumentando la eficiencia del vuelo y el ahorro de combustible en segmentos de crucero de largo alcance. A diferencia de los Winglets y los Sharklets, no dependen del ángulo de ataque del ala y reducen el consumo de combustible cuando la potencia del motor ya está configurada para crucero.
¿Cómo funcionan los “Raked wingtips”?
Si observamos en una vista en planta uno de estos dispositivos, en su forma más básica podemos decir que es un triángulo rectángulo. Si recordamos los primeros artículos de esta serie, allí explicábamos que, al atravesar la corriente de aire un ala, se divide en dos, una por encima (extradós), y otra por debajo (intradós), generando diferencias de presión sobre ambas superficies de las alas. Esta diferencia de presión es la que genera la sustentación. En las puntas, al no existir una barrera (las alas) que impida juntarse las masas de aire que están a distintas presiones, la corriente de aire del intradós, a mayor presión, tiende a empujar hacia arriba a la corriente de aire del extradós, (a menor presión), resbalando alrededor de cada punta alar, creando el famoso bucle, o vórtice, que ya hablamos repetidas veces en varias partes de esta serie.
En el caso de los Raked Wingtips, la forma en flecha, o triangulo, similar a una media ala delta, provoca que esta unión entre ambas corrientes de aire se haga de manera muy controlada, ya que el ahusamiento (reducción de la cuerda alar) del borde de ataque, permite por un lado que una pequeña masa de aire pueda escaparse del intradós, y subir hasta el extradós, pero no en su totalidad: solo una porción muy reducida de la corriente puede hacerlo, debido a que si bien el ala va reduciendo su cuerda, hasta llegar a un punto, el resto de la masa de aire de cada estela de corriente es contenida por la superficie alar que está a los laterales de esa línea de corriente de aire. a figura siguiente se ilustra lo aquí escrito:
En la imagen anterior, las líneas de corriente del extradós están representadas por cintas de color azul, mientras que las del intradós son de color rojo. Como dijimos antes, mientras que en el ala las líneas de corriente siguen el camino del perfil aerodinámico, en líneas paralelas, en la sección triangular. En cambio, hay pequeñas “fugas” de aire del intradós al extradós, debido a que cuerda del perfil inmediato hacia la punta es de menor longitud que la de su vecina más cercana a la unión con el ala, creando un efecto similar al de la punta del ala, pero la forma de la planta alar impide la formación de los vórtices como los que se forman en la punta de las alas, y el movimiento de las estelas desplazan las corrientes de aire hacia la punta, reduciendo la energía de los mismos, con la consecuencia de que en la punta una muy débil corriente en forma de bucle se forma, que no influye en la disminución de la sustentación de la aeronave.
Ventajas de los “Raked wingtips”
Podemos mencionar tres puntos sobresalientes en el uso de esta configuración:
- El alto ángulo de la flecha en la punta del ala, si bien reduce en parte la contribución a la sustentación, también reduce la fuerza de flexión a lo largo de todo el larguero principal del ala, sobre todo en altos ángulos de ataque. Esto hace que el ala se curve menos y se vea menos sometida a menos carga estructural en maniobras bruscas.
- La forma de flecha también desplaza el centro de presión de la punta hacia atrás, añadiendo un momento de torsión negativo. Este momento reduce el ángulo de ataque en la zona exterior del ala, cuando aparecen ráfagas y en situaciones de altos valores de carga alar, ayudando a reducir el momento máximo de flexión en la raíz de la misma.
- Especialmente en planeadores, permite una combinación de una distribución de circulación cuasi elíptica en una amplia gama de ángulos de ataque, con buenas características de prevención de entrada en perdida. La pendiente de la curva de sustentación de la punta de las alas permite que la entrada en pérdida ocurra a un ángulo de ataque más elevado y reduce su contribución de sustentación en relación con su área a medida que el ángulo de ataque crece.
Antecedentes
Merece ser mencionado que, una de las primeras aeronaves en incorporar esta clase de configuración de planta alar fue el Dornier Do-228, con su particular ala de planta trapezoidal, con punta triangular. En la figura siguiente podemos ver la forma que sus alas presentan.
Como vemos en la figura, desde la raíz alar, su cuerda se va reduciendo, hasta que en las cercanías de las puntas de las alas la flecha cambia a un ángulo pronunciado, dándole la forma de una media delta triangular.
Si bien es cierto que esta aeronave fue precursora en este tipo de puntas de ala, los diseños posteriores incorporaron materiales más avanzados, simulación por computadora y ensayos en túneles de viento que permitieron mejorar y llevar al extremo la eficiencia obtenida con este tipo de configuración alar. Un ejemplo de este tipo de aeronaves lo representa el Boeing 787 dreamliner, cuya forma alar tiene una curvatura que se fusiona en una única pieza con la punta de ala, y presenta una curvatura a lo largo de su envergadura que solo fue posible gracias al empleo de materiales compuestos, lo que se traduce en una distribución de sustentación pareja a lo largo de cada semiala, con una carga alar uniforme, y muy bajas vibraciones (flutter).
En la figura de abajo, podemos apreciar una imagen de un Boeing 787 dreamliner, donde se ve la forma característica de las puntas de las alas con pronunciada flecha positiva, típica de los Raked Wingtips.
Previamente a la introducción de este nuevo tipo de diseño de punta alar, la Boeing experimentó modificando sus Boeing 747, dando origen a la serie 747 – 800, como se puede observar en la imagen de la figura a continuación:
La apuesta de Airbus
Del otro lado del atlántico, la empresa Airbus, con su clásico estilo innovador, decidió redefinir el concepto de los Raked Wingtips para sus aeronaves de mayor porte, y creó un hibrido entre los anteriores Sharklets y los Raked Wingtips, dando por resultado una solución que combina lo mejor de ambos dispositivos. La primera aeronave en utilizar este tipo de configuración alar fue el Airbus A350.
Citamos a continuación la explicación que sus diseñadores dan en la página de Internet de esta empresa, acerca de este nuevo diseño de ala integrada con la punta alar:
“Otra característica del diseño de ala es la llamada “Curvatura Variable” (Camber Variable, o “VC”). La VC permite que los flaps se deflecten simétricamente en crucero para optimizar el perfil del ala y un mejor control en las cargas longitudinales en el ala optimizando la relación de sustentación versus resistencia aerodinámica en crucero. El Sistema de Ajuste Diferencial de flaps (Differential Flaps Settings o DFS, por sus siglas en inglés), exclusivos del A350, optimizan la eficiencia aerodinámica de crucero y las cargas laterales a través del control del centro de gravedad y de sustentación del ala, donde los flaps internos y externos son movidos diferencialmente.
El resultado general es un ala extremadamente eficiente que produce más sustentación con menos peso y es capaz de un rendimiento de manejo de la distribución de las cargas aerodinámicas sobre las alas avanzado, que ayuda a reducir la quema de combustible y las emisiones de CO2 de la aeronave”.
En la figura 7 siguiente se muestra un comparativo entre las alas de un águila real y las del Airbus A350. Observe la gran diferencia entre la forma triangular de las puntas de las alas del Dornier Do-228, y las puntas curvadas del A350, que fue posible construirlas gracias a los materiales compuestos como las fibras de carbono.
