Diseño de un perfil aerodinámico (Airfoil design)

Un perfil aerodinámico es una estructura diseñada para obtener reacción sobre su superficie a partir del aire a través del cual se desplaza o que pasa por tal estructura. El aire actúa de diversas formas cuando se somete a diferentes presiones y velocidades; pero esta discusión se limita a las partes de una aeronave que más preocupan al piloto en vuelo, es decir, los perfiles aerodinámicos diseñados para producir sustentación. 

Al observar un perfil aerodinámico típico, como la sección transversal de un ala, se pueden apreciar varias características evidentes de diseño. Observa que hay una diferencia en las curvaturas (llamadas perfiles) de las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. El perfil de la superficie superior es más pronunciado que el de la superficie inferior, que generalmente es algo plana.

NOTA: Las dos extremidades del perfil aerodinámico también difieren en apariencia. El extremo redondeado, que mira hacia adelante en vuelo, se llama borde de ataque; la otra extremidad, el borde de salida, es bastante estrecho y cónico.

Una línea de referencia a menudo utilizada en la discusión del perfil aerodinámico es la línea de cuerda, una línea recta dibujada a través del perfil que conecta las extremidades de los bordes de ataque y salida. 

La distancia desde esta línea de cuerda hasta las superficies superior e inferior del ala denota la magnitud del perfil superior e inferior en cualquier punto. Otra línea de referencia, dibujada desde el borde de ataque hasta el borde de salida, es la línea media del perfil. Esta línea media está equidistante en todos los puntos de las superficies superior e inferior.

Un perfil aerodinámico está construido de tal manera que su forma aprovecha la respuesta del aire a ciertas leyes físicas. Esto desarrolla dos acciones de la masa de aire: una acción de elevación de presión positiva de la masa de aire debajo del ala y una acción de elevación de presión negativa de presión reducida por encima del ala.

Cuando la corriente de aire golpea la superficie inferior relativamente plana de un ala o pala de rotor inclinada a un ángulo pequeño con respecto a su dirección de movimiento, el aire es forzado a rebotar hacia abajo, causando una reacción ascendente en forma de elevación positiva. Al mismo tiempo, la corriente de aire que golpea la sección curva superior del borde de ataque se desvía hacia arriba. 

Un perfil aerodinámico está conformado para causar una acción sobre el aire y fuerza el aire hacia abajo, lo que proporciona una reacción igual del aire, impulsando el perfil aerodinámico hacia arriba. Si un ala está construida de tal manera que produce una fuerza de elevación mayor que el peso de la aeronave, la aeronave volará.

Si toda la elevación requerida se obtuviera meramente a partir de la deflexión del aire por la superficie inferior del ala, una aeronave solo necesitaría un ala plana como una cometa. Sin embargo, el equilibrio de la elevación necesaria para sostener la aeronave proviene del flujo de aire por encima del ala. Aquí radica la clave del vuelo.

No es ni preciso ni útil asignar valores específicos al porcentaje de elevación generado por la superficie superior de un perfil aerodinámico versus el generado por la superficie inferior. Estos valores no son constantes. Varían, no solo con las condiciones de vuelo, sino también con diferentes diseños de alas.

Diferentes perfiles aerodinámicos tienen diferentes características de vuelo. Se han probado muchos miles de perfiles aerodinámicos en túneles de viento y en vuelo real, pero no se ha encontrado un perfil aerodinámico que satisfaga todos los requisitos de vuelo. El peso, la velocidad y el propósito de cada aeronave dictan la forma de su perfil aerodinámico. 

El perfil aerodinámico más eficiente para producir la mayor elevación es aquel que tiene una superficie inferior cóncava o "ahuecada". Como diseño fijo, este tipo de perfil aerodinámico sacrifica demasiada velocidad mientras produce elevación y no es adecuado para vuelo a alta velocidad. Los avances en ingeniería han permitido que los jets de alta velocidad de hoy aprovechen las características de elevación elevada del perfil aerodinámico cóncavo. 

Los flaps de borde de ataque (Kreuger) y los flaps de borde de salida (Fowler), cuando se extienden desde la estructura básica del ala, literalmente cambian la forma del perfil aerodinámico en la forma cóncava clásica, generando así mucha más elevación durante las condiciones de vuelo lento.

Por otro lado, un perfil aerodinámico que es perfectamente aerodinámico y ofrece poca resistencia al viento a veces no tiene suficiente potencia de elevación para despegar el avión del suelo. Por lo tanto, los aviones modernos tienen perfiles aerodinámicos que buscan un término medio entre los extremos en diseño. La forma varía según las necesidades del avión para el cual está diseñado.

Baja Presión Arriba - Low Pressure Above 

En un túnel de viento o en vuelo, un perfil aerodinámico es simplemente un objeto aerodinámico insertado en un flujo de aire en movimiento. Si el perfil aerodinámico tuviera la forma de una gota de agua, los cambios de velocidad y presión del aire que pasa por encima y por debajo serían iguales en ambos lados. 

Pero si la gota de agua en forma de lágrima se cortara por la mitad longitudinalmente, se obtendría una forma que se asemeja a la sección básica del perfil aerodinámico (ala). Si luego se inclinara el perfil aerodinámico de manera que el flujo de aire lo golpeara con un ángulo, el aire que se mueve sobre la superficie superior se vería obligado a moverse más rápido que el aire que se mueve a lo largo del fondo del perfil aerodinámico. Esta velocidad aumentada reduce la presión por encima del perfil aerodinámico.

Aplicando el Principio de Bernoulli de Presión, el aumento de la velocidad del aire sobre la parte superior de un perfil aerodinámico produce una caída de presión. Esta presión reducida es un componente de la sustentación total. La diferencia de presión entre la superficie superior e inferior de un ala por sí sola no explica la fuerza total de sustentación producida.

El flujo hacia abajo y hacia atrás desde la superficie superior de un perfil aerodinámico crea un flujo descendente. Este flujo descendente se encuentra con el flujo desde la parte inferior del perfil aerodinámico en el borde de salida. Aplicando la tercera ley de Newton, la reacción de este flujo descendente hacia atrás resulta en una fuerza hacia adelante ascendente en el perfil aerodinámico.

Alta Presión Abajo - High Pressure Below 

Se genera cierta cantidad de sustentación debido a las condiciones de presión debajo del perfil aerodinámico. Debido a la forma en que fluye el aire debajo del perfil aerodinámico, se produce una presión positiva, especialmente a ángulos de ataque más altos. Sin embargo, hay otro aspecto de este flujo de aire que debe considerarse. 

En un punto cercano al borde de ataque, el flujo de aire se detiene virtualmente (punto de estancamiento) y luego aumenta gradualmente su velocidad. En algún punto cerca del borde de salida, nuevamente alcanza una velocidad igual a la de la superficie superior. 

De conformidad con el principio de Bernoulli, donde el flujo de aire se ralentizó debajo del perfil aerodinámico, se creó una presión positiva ascendente (es decir, a medida que la velocidad del fluido disminuye, la presión debe aumentar). 

Dado que la diferencia de presión entre la superficie superior e inferior del perfil aerodinámico aumenta, la sustentación total también aumenta. Tanto el Principio de Bernoulli como las Leyes de Newton están en funcionamiento cada vez que se genera sustentación mediante un perfil aerodinámico.

Distribución de Presión A partir de experimentos realizados en modelos de túneles de viento y en aviones de tamaño real, se ha determinado que a medida que el aire fluye a lo largo de la superficie de un ala a diferentes ángulos de ataque (AOA), hay regiones a lo largo de la superficie donde la presión es negativa, o menor que la atmosférica, y regiones donde la presión es positiva, o mayor que la atmosférica. 

Esta presión negativa en la superficie superior crea una fuerza relativamente mayor en el ala que la causada por la presión positiva resultante del aire que golpea la superficie inferior del ala. El promedio de la variación de presión para cualquier AOA dado se denomina centro de presión (CP). La fuerza aerodinámica actúa a través de este CP. 

A altos ángulos de ataque, el CP se desplaza hacia adelante, mientras que a bajos ángulos de ataque, el CP se desplaza hacia atrás. En el diseño de estructuras de alas, este desplazamiento del CP es muy importante, ya que afecta la posición de las cargas de aire impuestas en la estructura del ala tanto en condiciones de AOA bajo como alto. El equilibrio aerodinámico y la capacidad de control de una aeronave están gobernados por los cambios en el CP.

Comportamiento del Perfil Aerodinámico Aunque se pueden citar ejemplos específicos en los que cada uno de los principios predice y contribuye a la formación de sustentación, la sustentación es un tema complejo. La producción de sustentación es mucho más compleja que una simple diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. 

De hecho, muchos perfiles aerodinámicos elevadores no tienen una superficie superior más larga que la inferior, como en el caso de los perfiles aerodinámicos simétricos. Estos se ven en aeronaves de alta velocidad que tienen alas simétricas, o en palas de rotor simétricas para muchos helicópteros cuyas superficies superior e inferior son idénticas. 

En ambos ejemplos, la única diferencia es la relación del perfil aerodinámico con la corriente de aire entrante (ángulo). Un avión de papel, que es simplemente una placa plana, tiene una parte inferior y superior exactamente la misma forma y longitud. Sin embargo, estos perfiles aerodinámicos producen sustentación, y la "curvatura del flujo" es en parte (o totalmente) responsable de crear sustentación.

Cuando un perfil aerodinámico se mueve a través del aire, el perfil aerodinámico se inclina contra el flujo de aire, produciendo un flujo diferente causado por la relación del perfil aerodinámico con el aire entrante. Piensa en una mano colocada fuera de la ventana de un automóvil a alta velocidad. Si la mano se inclina en una dirección u otra, la mano se moverá hacia arriba o hacia abajo. 

Esto se debe a la deflexión, que a su vez hace que el aire gire alrededor del objeto dentro de la corriente de aire. Como resultado de este cambio, la velocidad alrededor del objeto cambia tanto en magnitud como en dirección, lo que a su vez produce una fuerza de velocidad medible y una dirección.

Una Tercera Dimensión 

Hasta este punto, la discusión se ha centrado en el flujo a través de las superficies superior e inferior de un perfil aerodinámico. Si bien la mayor parte de la sustentación se produce en estas dos dimensiones, una tercera dimensión, la punta del perfil aerodinámico, también tiene un efecto aerodinámico. 

El área de alta presión en la parte inferior de un perfil aerodinámico empuja alrededor de la punta hacia el área de baja presión en la parte superior. Esta acción crea un flujo rotativo llamado vórtice de punta. 

El vórtice fluye detrás del perfil aerodinámico creando un flujo descendente que se extiende hasta el borde de salida del perfil aerodinámico. Este flujo descendente resulta en una reducción general de la sustentación para la parte afectada del perfil aerodinámico. 

Los fabricantes han desarrollado diferentes métodos para contrarrestar esta acción. Se pueden agregar winglets (extensiones aerodinámicas) a la punta de un perfil aerodinámico para reducir este flujo. Los winglets actúan como una barrera que impide que se forme el vórtice. 

Los winglets pueden estar en la parte superior o inferior del perfil aerodinámico. Otro método para contrarrestar el flujo es estrechar la punta del perfil aerodinámico, reduciendo la diferencia de presión y suavizando el flujo de aire alrededor de la punta.