Llegamos al artículo culminante de esta serie, esperando que a nuestros lectores les haya sido de utilidad para comprender mejor el concepto de estos nuevos dispositivos que se han ganado un lugar en la aviación civil, y ser una parte indivisible de toda aeronave. Hoy vamos a ver los nuevos desarrollos, y la evolución de estas “pequeñas grandes alas”.
Los active winglets
Cuando uno piensa que ya está todo inventado, alguien viene y agrega una mejora más. Tal es el caso de Nick Guida, Ingeniero jefe y CEO de la empresa “Tamarack Aerospace Industries” situada en Sandpoint, Idaho, Estados Unidos, quien, luego de un trabajo de 2 años, desarrolló una versión mejorada de los Winglets, llamada “Tamarack Active Winglets”.
Este sistema consiste básicamente, en tres elementos:
- Una extensión agregada a la punta alar,
- Un flap ubicado en el extradós y muy cerca de la punta alar,
- El Winglet propiamente dicho.
A este sistema su diseñador y fabricante lo denominó ATLAS, por sus siglas en ingles de “Active Technology Load Alleviation System”, o sea “Sistema activo de alivio de carga”, el cual, según su diseñador, evita problemas asociados con el empleo de Winglets.
Si recordamos el artículo 13 de esta serie (Winglets en aeronaves militares), vimos que bajo ciertas actitudes y maniobras de vuelo los Winglets / Sharklets no resultan beneficiosos, y una de las desventajas es la carga adicional (momento de flexión) sobre las alas, hasta la raíz, pero más especialmente en la parte cercana a las puntas alares. Si a eso le agregamos turbulencia, será necesario reforzar la raíz alar.
Como problema adicional, el costo de modificar una aeronave para agregarle Winglets es alto. En aeronaves de líneas comerciales, el costo se amortiza rápidamente, dadas las distancias y frecuencias que recorren, pero en aeronaves ejecutivas o de menor porte, la amortización se hace más difícil.
El problema principal entonces es que la sustentación que dan los Winglets combinada con la turbulencia, generan fuerzas G que provocan un esfuerzo mayor sobre las porciones cercanas a las puntas de las alas, y se transmiten, como dijimos más arriba, a la raíz de cada semiala.
Una solución combinada: Electrónica + Aerodinámica
El sistema ATLAS combina el uso de sensores (acelerómetros) que detectan las fuerzas G, y cuando estas alcanzan o superan los +1.5G, activan un pequeño flap que está ubicado en el extradós de la porción exterior de cada semiala, cercana a las puntas; entonces, este flap rota hacia arriba, y crea una fuerza que contrarresta a la fuerza G existente, disminuyendo el esfuerzo sobre las secciones del ala cercanas a las puntas, y prácticamente elimina la posibilidad de cualquier daño estructural asociado con la adición de los Winglets. Este alivio en las cargas sobre la estructura alar evita la necesidad de agregar refuerzos en la raíz del ala (y menos peso muerto). Según su diseñador, el sistema ATLAS® permite una más rápida trepada en altitudes de despegue, y un mayor ahorro de combustible durante la fase de crucero. La empresa Tamarack insiste que su sistema también contribuye a reducir la huella de carbono. En comparación, mientras que con un sistema de Winglets tradicional, el ahorro de combustible es del rango entre 3 – 7%, con este sistema se prevé un ahorro de hasta un 33%.
La empresa también asegura que la inversión en la adopción de este sistema se puede recuperar, con una tasa de vuelo de 400 hs. / año, en aproximadamente 1,3 años, para una aeronave Cessna Citation. En la figura siguiente podemos apreciar como es este sistema, (extraído de la página oficial del fabricante):
En el caso de las aeronaves Cessna Citation, la envergadura se aumenta en 4 pies.
Para demostrar su confiabilidad, se hicieron pruebas en vuelo en aeronaves con este sistema buscando las peores condiciones de vuelo, incluso con un flap hacia arriba y el otro desplegado hacia abajo. Los pilotos de prueba lograron aterrizajes sin problemas en esta configuración.
La construcción de los Winglets está hecha a base de fibras de carbono, mientras que sus flaps y la superficie fija están hechos a de aluminio aeronáutico.
El objetivo principal del fabricante apunta al mercado de los jets privados y aeronaves pequeñas (como por ejemplo el Cirrus SR 22).
Los winglets plegables
El 25 de enero de 2020 la empresa BOEING hizo el primer vuelo de prueba de la nueva versión de su aeronave Boeing 777, rebautizada 777X. Esta aeronave presentaba una novedad, que vino a redoblar la apuesta en la competencia de los Winglets: Éstos eran plegables, haciendo que su envergadura varíe desde los 213 pies (65 m) con los Winglets plegados, hasta unos 235 pies (71.63 m) en la posición de máxima extensión.
Winglets + Raked Wingtips = Winglets plegables…
Si recordamos el artículo 12 de esta serie, vimos un tipo especial de solución al problema de los vórtices en las puntas de las alas (y la resistencia inducida que éstos provocan) denominadas “Raked Wingtips” o “puntas alares rasgadas”, las cuales alejaban de manera gradual y controlada a los vórtices de las puntas de cada semiala. Pero, a diferencia de los Winglets, contribuyen muy poco a la generación de sustentación: su función principal es reducir la resistencia inducida de una manera especial, alejando los vórtices 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.
Al contrario de los Winglets y los Sharklets, éstos no dependen del ángulo de ataque del ala y reducen el consumo de combustible cuando la potencia del motor ya está configurada para crucero.
Esto último es un tema importante, que abordaron los diseñadores de Boeing cuando estudiaron las ventajas de cada elemento, tratando de buscar una solución que reúna los aspectos positivos de ambos. Así, mientras que los Winglets / Sharklets demostraron ser muy efectivos en las fases de despegue y trepada, pero su eficiencia disminuía un poco en la fase de vuelo de crucero, los “Raked Wingtips” eran muy poco eficaces a la hora de proveer sustentación extra en la fase de despegue, y en crucero dieron su mejor rendimiento. Esta amalgama de 2 soluciones combinadas en una es básicamente como está compuesto este sistema.
Un sistema del siglo XX en el siglo XXI
Este sistema, si bien hace poco que fue implementado por la firma Boeing, no es nuevo: Ya en la década de 1990 la empresa Boeing obtuvo la patente de un sistema de Winglets plegables, y de hecho se hicieron pruebas sobre un Boeing 777-200, con la esperanza de entrar en producción, pero este concepto estaba muy adelantado a su época, Boeing no recibió ofertas por este nuevo modelo, y así tuvo que esperar hasta nuestros días, en que el mercado aeronáutico estaba listo para su aceptación.
En la Figura 2 siguiente podemos apreciar en detalle el sistema de plegado del 777X, y en la Figura 3 el plano del sistema de plegado presentado por Boeing para obtener la patente por este diseño.
Una solución, dos beneficios…
Además de reunir en un solo elemento las ventajas de los Winglets y los Raked wingtips, mejorando el alcance, el ahorro de combustible y la reducción de esfuerzos en las alas, este nuevo dispositivo agrega un beneficio más: el ahorro de espacio.
Cada aeropuerto del mundo tiene un código internacional, establecido por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), que se indica por las primeras letras del alfabeto, y esa letra asignada está relacionada con la máxima envergadura de la aeronave que ese aeropuerto puede recibir. En la tabla a continuación se indican estos valores, y las aeronaves que pueden operar en cada uno:
Como podemos apreciar en los datos de la tabla, la franja más popular está entre las letras “C” y “E”, la última de las cuales, figura el 777. No es casual pues, que los ingenieros de la Boeing hayan elegido que el modelo 777X con sus alas plegadas tenga una envergadura de justo 65 metros, quedando así dentro de la categoría “E”, para de esta manera poder operar en la gran mayoría de aeropuertos del mundo.
Si bien es cierto que la firma Boeing tenía previsto poner en servicio el 777X en 2020, la pandemia aplazó sus planes, y la certificación de este nuevo modelo se prevé para 2024.
Muchas gracias Alejandro por la explicacion que llega a este medio escrita, ya que tu conferencia en el MNA no la puedo seguir, por mi discapcidad de entender . Por aqui todo perfecto tus explicaciones