Características de las Alas

Configuraciones de las alas - Wing Configurations

Las alas son perfiles aéreos que, cuando se mueven rápidamente por el aire, crean sustentación. Se construyen en muchas formas y tamaños. El diseño de las alas puede variar para proporcionar ciertas características de vuelo deseables. 

El control a distintas velocidades de operación, la cantidad de sustentación generada, el equilibrio y la estabilidad cambian a medida que se modifica la forma del ala. Tanto el borde de ataque como el de salida del ala pueden ser rectos o curvos, o uno de los bordes puede ser recto y el otro curvo. 

Uno o ambos bordes pueden ser cónicos, de modo que el ala sea más estrecha en la punta que en la raíz, donde se une al fuselaje. La punta del ala puede ser cuadrada, redondeada o incluso puntiaguda.

Las alas de un avión pueden estar unidas al fuselaje por la parte superior, por la mitad del fuselaje o por la parte inferior. Pueden extenderse perpendicularmente al plano horizontal del fuselaje o pueden formar un ángulo hacia arriba o hacia abajo. Este ángulo se conoce como diedro del ala. El ángulo diedro afecta a la estabilidad lateral del avión.

Estructura del ala - Wing Structure 

Las alas de un avión están diseñadas para elevarlo en el aire. Su diseño particular para cualquier aeronave depende de una serie de factores, como el tamaño, el peso, el uso de la aeronave, la velocidad deseada en vuelo y en el aterrizaje, y la tasa de ascenso deseada. Las alas de las aeronaves se designan como izquierda y derecha, lo que corresponde a los lados izquierdo y derecho del operador cuando está sentado en la cabina.

A menudo las alas tienen un diseño de voladizo completo. Esto significa que están construidas de manera que no se necesita ningún refuerzo externo. Se apoyan internamente en miembros estructurales asistidos por la piel de la aeronave. 

Otras alas de avión utilizan puntales o cables externos para ayudar a sostener el ala y soportar las cargas aerodinámicas y de aterrizaje. Los cables de soporte del ala y los puntales suelen ser de acero. Muchos puntales y sus accesorios de fijación tienen carenados para reducir la resistencia. 

En los puntales que se unen a las alas a gran distancia del fuselaje se encuentran soportes cortos y casi verticales llamados puntales de jury. Esto sirve para atenuar el movimiento del puntal y la oscilación causada por el aire que fluye alrededor del puntal en vuelo. La figura muestra ejemplos de alas con arriostramiento externo, también conocidas como alas semicantiléver. También se muestran alas en voladizo construidas sin refuerzos externos.

El aluminio es el material más común para construir las alas, pero pueden ser de madera recubierta de tela, y ocasionalmente se ha utilizado una aleación de magnesio. Además, los aviones modernos tienden a utilizar materiales más ligeros y resistentes en todo el fuselaje y en la construcción de las alas. 

Existen alas hechas completamente de fibra de carbono u otros materiales compuestos, así como alas hechas de una combinación de materiales para obtener el máximo rendimiento de resistencia y peso.

Las estructuras internas de la mayoría de las alas se componen de largueros y travesaños que se extienden a lo largo de la envergadura y de costillas y formadores o mamparos que se extienden a lo largo de la cuerda (del borde de ataque al borde de fuga). Los largueros son los principales elementos estructurales de un ala. 

Soportan todas las cargas distribuidas, así como los pesos concentrados, como el fuselaje, el tren de aterrizaje y los motores. El revestimiento, que está unido a la estructura del ala, soporta parte de las cargas impuestas durante el vuelo. También transfiere las tensiones a las costillas del ala. Las costillas, a su vez, transfieren las cargas a los largueros del ala.

En general, la construcción del ala se basa en uno de los tres diseños fundamentales: 

1. Monospar 

2. Multispar 

3. Viga de caja

Varios fabricantes pueden modificar estos diseños básicos.

El ala monopartida incorpora en su construcción un solo miembro longitudinal o de envergadura principal. Las costillas o los mamparos proporcionan el contorno o la forma necesarios al perfil aéreo. Aunque el ala monopartida estricta no es común, a veces se utiliza este tipo de diseño modificado por la adición de falsos largueros o ligeras redes de cizallamiento a lo largo del borde de fuga para el apoyo de las superficies de control.

El ala multiespiral incorpora más de un miembro longitudinal principal en su construcción. Para dar contorno al ala, a menudo se incluyen costillas o mamparos.

El tipo de construcción de ala de caja utiliza dos miembros longitudinales principales con mamparos de conexión para proporcionar resistencia adicional y dar contorno al ala. Entre los mamparos y el revestimiento exterior liso puede colocarse una lámina ondulada para que el ala pueda soportar mejor las cargas de tensión y compresión. 

En algunos casos, se sustituyen los refuerzos longitudinales pesados en la superficie superior del ala y los refuerzos en las láminas onduladas de la superficie inferior. A veces se utiliza una combinación de láminas onduladas en la superficie superior del ala y rigidizadores en la superficie inferior. Las aeronaves de la categoría de transporte aéreo suelen utilizar la construcción de alas con vigas en caja.

Largueros del ala - Wing Spars 

Los largueros son los principales elementos estructurales del ala. Corresponden a los largueros del fuselaje. Van paralelos al eje lateral de la aeronave, desde el fuselaje hacia la punta del ala, y suelen estar unidos al fuselaje por medio de accesorios de ala, vigas planas o una cercha.

Los largueros pueden ser de metal, madera o materiales compuestos, dependiendo de los criterios de diseño de un avión específico. Los largueros de madera suelen estar hechos de abeto. En general, se pueden clasificar en cuatro tipos diferentes por su configuración de la sección transversal. 

El laminado de los largueros de madera maciza se utiliza a menudo para aumentar la resistencia. La madera laminada también puede encontrarse en los largueros con forma de caja. Al larguero de la figura se le ha quitado material para reducir el peso, pero conserva la resistencia de un larguero rectangular. 

Como puede verse, la mayoría de los largueros de las alas tienen una forma básicamente rectangular con la dimensión larga de la sección transversal orientada hacia arriba y hacia abajo en el ala.

En la actualidad, la mayoría de los aviones fabricados tienen largueros de aluminio sólido extruido o extrusiones de aluminio remachadas para formar el larguero. El aumento del uso de materiales compuestos y la combinación de materiales debe hacer que los aviadores estén atentos a los largueros de las alas hechos de diversos materiales.

En un larguero de viga en I, la parte superior e inferior de la viga en I se denominan tapas y la sección vertical se llama alma. Todo el larguero puede ser extruido a partir de una sola pieza de metal, pero a menudo se construye a partir de múltiples extrusiones o ángulos formados. El alma forma la parte principal de la profundidad del larguero y los listones de la tapa (extrusiones, ángulos formados o secciones fresadas) están unidos a ella. Juntos, estos miembros soportan las cargas causadas por la flexión del ala, y las tapas proporcionan una base para fijar la piel.

También puede no tener refuerzos, pero puede contener agujeros con bridas para reducir el peso pero mantener la resistencia. Algunos largueros de alas metálicas y de material compuesto mantienen el concepto de viga en I, pero utilizan un alma sinusoidal.

Además, existe un diseño de alma de larguero a prueba de fallos. El término "a prueba de fallos" significa que si un miembro de una estructura compleja falla, alguna otra parte de la estructura asume la carga del miembro que ha fallado y permite seguir funcionando. Este larguero está hecho en dos secciones. La sección superior consiste en una tapa remachada a la placa superior del alma. 

La sección inferior es una sola extrusión que consiste en la tapa inferior y la placa del alma. Estas dos secciones se unen para formar el larguero. Si una de las dos secciones de este tipo de larguero se rompe, la otra sección puede seguir soportando la carga. Esta es la característica de seguridad.

Por regla general, un ala tiene dos largueros. Un larguero suele estar situado cerca de la parte delantera del ala, y el otro a unos dos tercios de la distancia hacia el borde de fuga del ala. Independientemente del tipo, el larguero es la parte más importante del ala. Cuando se someten a carga otros elementos estructurales del ala, la mayor parte de la tensión resultante se transmite al larguero.

Los falsos largueros se utilizan habitualmente en el diseño de alas. Son miembros longitudinales como los largueros, pero no se extienden por toda la longitud del ala. A menudo se utilizan como puntos de fijación de las bisagras de las superficies de control, como el larguero del alerón.

Costillas del ala - Wing Ribs 

Las costillas son los travesaños estructurales que se combinan con los largueros y los largueros para formar la estructura del ala. Suelen extenderse desde el borde de ataque del ala hasta el larguero trasero o hasta el borde de fuga del ala. Las costillas dan al ala su forma abombada y transmiten la carga desde el revestimiento y los largueros a los largueros. También se utilizan costillas similares en los alerones, los elevadores, los timones y los estabilizadores.

Las costillas del ala suelen fabricarse en madera o en metal. Los aviones con largueros de madera pueden tener costillas de madera o de metal, mientras que la mayoría de los aviones con largueros de metal tienen costillas de metal. Las costillas de madera suelen fabricarse con abeto. 

Los tres tipos más comunes de costillas de madera son el alma de madera contrachapada, el alma de madera contrachapada aligerada y los tipos de celosía. De estos tres, el tipo de celosía es el más eficiente porque es fuerte y ligero, pero también es el más complejo de construir.

Las costillas de madera tienen una tapa de costilla o tira de tapa fijada alrededor de todo el perímetro de la costilla. Suele estar hecha del mismo material que la propia costilla. La tapa de la costilla refuerza y fortalece la costilla y proporciona una superficie de fijación para el revestimiento del ala. En la figura, se ilustra la sección transversal de una costilla del ala con un alma de tipo truss. Las secciones rectangulares oscuras son los largueros delanteros y traseros del ala. Obsérvese que para reforzar la celosía se utilizan cartelas. En la figura, se muestra una costilla con alma de celosía con una cartela continua. Esto proporciona un mayor apoyo en toda la costilla con muy poco peso adicional. 

Una cartela continua refuerza la banda de la tapa en el plano de la nervadura. Esto ayuda a evitar el pandeo y a obtener mejores uniones entre la costilla y la piel cuando se utiliza el encolado con clavos. Este tipo de nervio puede resistir mejor la fuerza de clavado que los otros tipos. 

Además, las cartelas continuas son más fáciles de manipular que las pequeñas cartelas separadas que se necesitan. La figura muestra un nervio con un alma de madera contrachapada aligerada. También contiene cartelas para soportar la interfaz entre el alma y el listón de cubierta. La banda de cubierta suele estar laminada al alma, especialmente en el borde de ataque.

Una costilla del ala también puede denominarse costilla plana o costilla principal. Las costillas del ala con ubicaciones o funciones especializadas reciben nombres que reflejan su singularidad. Por ejemplo, las costillas situadas completamente por delante del larguero delantero que se utilizan para dar forma y reforzar el borde de ataque del ala se denominan costillas de morro o falsas costillas. 

Las falsas costillas son costillas que no abarcan toda la cuerda del ala, que es la distancia desde el borde de ataque hasta el borde de fuga del ala. Las costillas de tope del ala pueden encontrarse en el borde interior del ala, donde ésta se une al fuselaje. Dependiendo de su ubicación y método de fijación, una costilla de tope también puede llamarse costilla de mamparo o costilla de compresión si está diseñada para recibir cargas de compresión que tienden a forzar los largueros del ala.

Dado que las costillas son débiles lateralmente, en algunas alas se refuerzan con cintas que se tejen por encima y por debajo de las secciones de las costillas para evitar que éstas se doblen lateralmente. En un ala también se pueden encontrar hilos de arrastre y antiarrastre. 

En la figura, se muestran entrecruzados entre los largueros para formar un armazón que resista las fuerzas que actúan sobre el ala en la dirección del cordón alar. Estos cables de tensión también se denominan tirantes. El cable diseñado para resistir las fuerzas hacia atrás se denomina cable de arrastre; el cable antiarrastre resiste las fuerzas hacia delante en la dirección del cordón. La figura ilustra los componentes estructurales de un ala de madera básica.

En el extremo interior de los largueros del ala hay algún tipo de accesorio de fijación del ala, como se ilustra en la figura. Estos proporcionan un método fuerte y seguro para fijar el ala al fuselaje. La interfaz entre el ala y el fuselaje a menudo se cubre con un carenado para lograr un flujo de aire suave en esta área. El carenado se puede quitar para acceder a los accesorios de fijación del ala.

La punta del ala suele ser una unidad desmontable, atornillada al extremo exterior del panel del ala. Una de las razones para ello es la vulnerabilidad de las puntas de las alas a los daños, especialmente durante el manejo en tierra y el rodaje. La figura muestra una punta de ala desmontable para un ala de avión grande. Otros son diferentes. El conjunto de la punta del ala es de construcción de aleación de aluminio. 

La tapa del extremo del ala se fija a la punta con tornillos avellanados y se fija a la estructura interspar en cuatro puntos con pernos de 1/4 de pulgada de diámetro. Para evitar que se forme hielo en el borde de ataque de las alas de las aeronaves grandes, el aire caliente de un motor suele canalizarse a través del borde de ataque desde la raíz del ala hasta la punta del ala. 

Una rejilla en la superficie superior de la punta del ala permite que este aire caliente sea expulsado por la borda. Las luces de posición del ala están situadas en el centro de la punta y no son visibles directamente desde la cabina. Como indicación de que la luz de la punta del ala está funcionando, algunas puntas del ala están equipadas con una varilla de Lucite para transmitir la luz al borde de ataque.

Revestimiento o Piel del ala - Wing Skin 

A menudo, el revestimiento de un ala se diseña para soportar parte de las cargas en vuelo y en tierra en combinación con los largueros y las costillas. Esto se conoce como diseño de revestimiento tensado. La sección de ala totalmente metálica en voladizo que se ilustra en la figura muestra la estructura de uno de estos diseños. La falta de refuerzos internos o externos adicionales requiere que la piel comparta parte de la carga. Obsérvese que el revestimiento está reforzado para facilitar esta función.

El combustible se transporta a menudo dentro de las alas de un avión con revestimiento tensado. Las juntas del ala pueden sellarse con un sellador especial resistente al combustible, lo que permite que éste se almacene directamente dentro de la estructura. Esto se conoce como diseño de ala húmeda. 

Alternativamente, se puede instalar una vejiga o un depósito de combustible en el interior del ala. La figura muestra una sección de ala con un diseño estructural de viga en caja como el que podría encontrarse en un avión de categoría de transporte. Esta estructura aumenta la resistencia y reduce el peso. El sellado adecuado de la estructura permite almacenar el combustible en las secciones de caja del ala.

El revestimiento del ala de un avión puede estar hecho de una gran variedad de materiales, como tela, madera o aluminio. Sin embargo, no siempre se emplea una única y fina lámina de material. El revestimiento de aluminio fresado químicamente puede proporcionar un revestimiento de diversos grosores. En las aeronaves con diseño de ala tensada, a menudo se utilizan paneles de ala con estructura de panal como revestimiento. 

Una estructura de panal se construye a partir de un material de núcleo que se asemeja al panal de una colmena y que se lamina o se intercala entre finas láminas de piel exterior. La figura ilustra los paneles alveolares y sus componentes. Los paneles así formados son ligeros y muy resistentes. 

Tienen una gran variedad de usos en el avión, como los paneles del suelo, los mamparos y las superficies de control, así como los paneles de la piel del ala. La figura muestra las ubicaciones de los paneles de las alas de construcción de nido de abeja en un avión de transporte a reacción.

Un panel de nido de abeja puede fabricarse con una gran variedad de materiales. El núcleo de aluminio de nido de abeja con una piel exterior de aluminio es común. Pero también es común el panal en el que el núcleo es una fibra Arimid® y las láminas exteriores están recubiertas de Phenolic®. 

De hecho, existen infinidad de otras combinaciones de materiales, como las que utilizan fibra de vidrio, plástico, Nomex®, Kevlar® y fibra de carbono. Cada estructura de nido de abeja posee características únicas en función de los materiales, las dimensiones y las técnicas de fabricación empleadas.

Barquillas o vainas - Nacelles or Pods

Las barquillas (a veces denominadas "vainas") son recintos aerodinámicos utilizados principalmente para albergar el motor y sus componentes. Suelen presentar un perfil redondo o elíptico al viento, reduciendo así la resistencia aerodinámica. En la mayoría de los aviones monomotores, el motor y la góndola se encuentran en el extremo delantero del fuselaje. 

En los aviones multimotor, las góndolas de los motores están integradas en las alas o unidas al fuselaje en el empenaje (sección de cola). Ocasionalmente, un avión multimotor se diseña con una góndola en línea con el fuselaje a la altura del compartimento de pasajeros. Independientemente de su ubicación, una góndola contiene el motor y los accesorios, los soportes del motor, los miembros estructurales, un cortafuegos y la piel y el capó en el exterior para proteger la góndola del viento.

Algunas aeronaves tienen góndolas diseñadas para albergar el tren de aterrizaje cuando está retraído. Retraer el tren de aterrizaje para reducir la resistencia al viento es un procedimiento estándar en los aviones de alto rendimiento y alta velocidad. 

La cavidad de la rueda es el área donde se fija el tren de aterrizaje y se guarda cuando está retraído. Los huecos de las ruedas pueden estar situados en las alas y/o en el fuselaje cuando no forman parte de la góndola. La figura muestra una góndola de motor que incorpora el tren de aterrizaje con el hueco de la rueda que se extiende en la raíz del ala.

La estructura de una góndola suele estar formada por elementos estructurales similares a los del fuselaje. Los miembros longitudinales, como los largueros y los largueros, se combinan con los miembros horizontales/verticales, como los anillos, los formadores y los mamparos, para dar a la góndola su forma y su integridad estructural. 

Se incorpora un cortafuegos para aislar el compartimento del motor del resto del avión. Se trata básicamente de un mamparo de acero inoxidable o titanio que contiene el fuego en los confines de la góndola en lugar de dejar que se propague por el fuselaje.

Los soportes del motor también se encuentran en la góndola. Son los conjuntos estructurales a los que se sujeta el motor. Suelen estar construidos con tubos de acero al cromo/molibdeno en los aviones ligeros y con conjuntos forjados de cromo/níquel/molibdeno en los aviones más grandes.

El exterior de una góndola está cubierto con una piel o equipado con un capó que puede abrirse para acceder al motor y a los componentes del interior. Ambas cosas suelen ser de chapa de aluminio o de aleación de magnesio, y se utilizan aleaciones de acero inoxidable o de titanio en las zonas de alta temperatura, como por ejemplo alrededor de la salida del escape. Independientemente del material utilizado, la piel suele estar unida a la estructura con remaches.

El carenado se refiere a los paneles desmontables que cubren las zonas a las que hay que acceder regularmente, como el motor y sus accesorios. Está diseñado para proporcionar un flujo de aire suave sobre la góndola y para proteger el motor de posibles daños. Los paneles del capó suelen estar hechos de una aleación de aluminio. 

Sin embargo, el acero inoxidable se utiliza a menudo como piel interior en la parte posterior de la sección de potencia y para los flaps del capó y cerca de las aberturas de los flaps del capó. También se utiliza para los conductos del refrigerador de aceite. Los flaps del capó son partes móviles del capó de la góndola que se abren y cierran para regular la temperatura del motor.

Hay muchos diseños de capós de motor. La figura muestra un despiece de las piezas del capó de un motor horizontalmente opuesto en un avión ligero. Se fija a la góndola mediante tornillos y/o cierres rápidos. Algunos motores recíprocos de gran tamaño están cubiertos por carenados de "piel de naranja" que proporcionan un excelente acceso a los componentes del interior de la góndola. Estos paneles del capó se fijan al cortafuegos delantero mediante soportes que también sirven como bisagras para abrir el capó. 

Los soportes inferiores del capó se fijan a los soportes de las bisagras mediante pasadores de liberación rápida. Los paneles laterales y superior se mantienen abiertos mediante varillas y el panel inferior se mantiene en posición abierta mediante un muelle y un cable. Todos los paneles del capó se bloquean en la posición cerrada mediante pestillos de acero sobrecentrados que se fijan en la posición cerrada mediante pestillos de seguridad con resorte.

Los paneles del capó son una combinación de paneles fijos y fácilmente desmontables que pueden abrirse y cerrarse durante el mantenimiento. El capó del morro también es un elemento de la góndola de un motor a reacción. Guía el aire hacia el motor.