Ala cargando

La mariposa monarca tiene una carga alar muy baja de 0,168 kg / m ^2.

El North American X-15 tiene una carga alar máxima de 829 kg / m ^2.

En aerodinámica , la carga alar es la masa total de un avión dividida por el área de su ala. ^[1] La velocidad de pérdida de un avión en vuelo recto y nivelado está determinada en parte por su carga alar. Un avión con una carga de ala baja tiene un área de ala más grande en relación con su masa, en comparación con un avión con una carga de ala alta.

Cuanto más rápido vuela un avión, más sustentación puede producir cada unidad de área del ala, por lo que un ala más pequeña puede transportar la misma masa en vuelo nivelado. En consecuencia, las aeronaves más rápidas generalmente tienen cargas de ala más altas que las aeronaves más lentas. Este aumento de la carga alar también aumenta las distancias de despegue y aterrizaje . Una carga alar más alta también reduce la maniobrabilidad. Las mismas restricciones se aplican a los organismos biológicos alados.

Rango de cargas de las alas

Ejemplos de carga de ala ^[2]

Aeronave	Escribe	Introducción	MTOW	Área del ala	kg / m 2	libras / pies cuadrados
Mariposa monarca	Animal	Cenozoico			0,168	0.034
pájaros [a]	Animal	Cretáceo			1–20	0,20–4,10 [3]
Límite crítico superior de vuelo de aves	Animal				25	5.1 [4]
Ozono Buzz Z3 MS	Parapente	2010	75–95 kg (165–209 libras)	25,8 m 2 (278 pies cuadrados)	2,9–3,7	0,59-0,76 [5]
Wills Wing Sport 2155	Ala delta	2004	94,8-139,8 kg (209-308 libras)	14,4 m 2 (155 pies cuadrados)	6,6–9,7	1.4–2.0 [6]
limite superior	Planeador de microelevación	2008	220 kg (490 libras) máx.	12,2 m 2 (131 pies cuadrados) mín. [B]	18	3.7 [7]
Regulaciones de CAA (Reino Unido)	límite de carga del ala ultraligero	2008 [c]	450 kg (990 libras) máx. [D]	18 m 2 (190 pies cuadrados) mín. [mi]	25	5.1 [8]
Schleicher ASW 22	Planeador	1981	850 kg (1.870 libras)	16,7 m 2 (180 pies cuadrados)	50,9	10,4
Guerrero Piper	Aviación general	1960	1.055 kg (2.326 libras)	15,14 m 2 (163,0 pies cuadrados)	69,7	14.3
Barón Beechcraft	Bimotor de aviación general	1960	2.313 kg (5.099 libras)	18,5 m 2 (199 pies cuadrados)	125	26
Spitfire de Supermarine	Luchador (Segunda Guerra Mundial)	1938	3.039 kg (6.700 libras)	22,48 m 2 (242,0 pies cuadrados)	135	28
Avión Beechcraft	Avión de pasajeros (viajero)	1968	4.727 kg (10.421 libras)	25,99 m 2 (279,8 pies cuadrados)	182	37
Learjet 31	Jet de negocios	1990	7.031 kg (15.501 libras)	24,57 m 2 (264,5 pies cuadrados)	286	59
Mikoyan MiG-23	Luchador ( geometría variable )	1970	17.800 kg (39.200 libras)	34,16–37,35 m 2 (367,7–402,0 pies cuadrados)	477–521	98-107
Dinámica general F-16	Luchador (multiusos)	1978	19.200 kg (42.300 libras)	27,87 m 2 (300,0 pies cuadrados)	688,9	141,1
Fokker F27	Avión de pasajeros ( turbohélice )	1958	19.773 kg (43.592 libras)	70 m 2 (750 pies cuadrados)	282	58
McDonnell Douglas F-15 Eagle	Luchador (superioridad aérea)	1976	30,845 kg (68,002 libras)	56,5 m 2 (608 pies cuadrados)	546	112
Beca Fokker F28	Avión de pasajeros (jet regional)	1969	33.000 kg (73.000 libras)	78,97 m 2 (850,0 pies cuadrados)	418	86
Boeing 737-300	Avión de pasajeros ( cuerpo estrecho )	1984	62.820 kg (138.490 libras)	91,04 m 2 (979,9 pies cuadrados)	690	140
Boeing 737-900	Avión de pasajeros (cuerpo estrecho)	2001	84,139 kg (185,495 libras)	124,6 m 2 (1341 pies cuadrados)	675	138
Boeing 767	Avión de pasajeros ( fuselaje ancho )	mil novecientos ochenta y dos	142,882 kg (315,001 libras)	283,3 m 2 (3,049 pies cuadrados)	504	103
Concorde	Avión de pasajeros (supersónico)	1976	187.000 kg (412.000 libras)	358,2 m 2 (3.856 pies cuadrados)	522	107
Lancer Rockwell B-1B	Bombardero (geometría variable)	1983	148.000 kg (326.000 libras)	181,2 m 2 (1950 pies cuadrados)	818	168
Boeing 777	Avión de pasajeros (de fuselaje ancho)	1995	247.200 kg (545.000 libras)	427,8 m 2 (4.605 pies cuadrados)	578	118
Boeing 747	Avión de pasajeros (de fuselaje ancho)	1970	333.000 kg (734.000 libras)	511 m 2 (5.500 pies cuadrados)	652	134
Airbus A380	Avión de pasajeros (de fuselaje ancho)	2007	575.000 kg (1.268.000 libras)	845 m 2 (9.100 pies cuadrados)	680	140

Efecto sobre el rendimiento

La carga alar es una medida útil de la velocidad de pérdida de un avión. Las alas generan sustentación debido al movimiento del aire alrededor del ala. Las alas más grandes mueven más aire, por lo que un avión con un área de ala grande en relación con su masa (es decir, carga de ala baja) tendrá una velocidad de pérdida más baja. Por tanto, una aeronave con menor carga alar podrá despegar y aterrizar a menor velocidad (o podrá despegar con mayor carga). También podrá girar a mayor velocidad.

Efecto en las velocidades de despegue y aterrizaje

La fuerza de sustentación L en un ala del área A , viajando a la velocidad aerodinámica verdadera v está dada por

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L}}$,

donde ρ es la densidad del aire y C _L es el coeficiente de sustentación . El coeficiente de sustentación es un número adimensional que depende del perfil de la sección transversal del ala y del ángulo de ataque . ^[9] En el despegue o en vuelo estable, ni subiendo ni en picado, la fuerza de sustentación y el peso son iguales. Con L / A = Mg / A = W _S g , donde M es la masa de la aeronave, W _S = M / A la carga del ala (en unidades de masa / área, es decir, lb / ft ² o kg / m ² , no fuerza / área) ygla aceleración debida a la gravedad, esa ecuación da la velocidad v a ^[10]

${\displaystyle \textstyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}}$ .

Como consecuencia, las aeronaves con el mismo C _L en el despegue en las mismas condiciones atmosféricas tendrán velocidades de despegue proporcionales a . Entonces, si el área del ala de un avión aumenta en un 10% y no se cambia nada más, la velocidad de despegue disminuirá en aproximadamente un 5%. Del mismo modo, si un avión diseñado para despegar a 150 mph aumenta de peso durante el desarrollo en un 40%, su velocidad de despegue aumenta a = 177 mph.${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {W_{S}}}}$${\displaystyle \scriptstyle 150{\sqrt {1.4}}}$

Algunos voladores confían en su fuerza muscular para ganar velocidad para despegar sobre tierra o agua. Las aves acuáticas y que anidan en el suelo deben poder correr o remar a su velocidad de despegue antes de poder despegar. Lo mismo es cierto para un piloto de ala delta, aunque puede obtener ayuda de una carrera cuesta abajo. Para todos estos, un W _S bajo es crítico, mientras que los paseriformes y las aves que habitan en acantilados pueden volar con cargas de alas más altas.

Efecto en el rendimiento del giro

Para virar, un avión debe rodar en la dirección del giro, aumentando el ángulo de inclinación del avión . El vuelo giratorio baja el componente de sustentación del ala contra la gravedad y, por lo tanto, provoca un descenso. Para compensar, la fuerza de elevación debe aumentarse aumentando el ángulo de ataque mediante el uso de la deflexión del elevador hacia arriba, lo que aumenta la resistencia. El giro se puede describir como "trepar alrededor de un círculo" (la elevación del ala se desvía para girar el avión), por lo que el aumento en el ángulo de ataque del ala crea aún más resistencia. Cuanto más estrecho sea el radio de girointentado, más arrastre inducido; esto requiere que se agregue potencia (empuje) para superar la resistencia. La velocidad máxima de giro posible para un diseño de avión dado está limitada por el tamaño de sus alas y la potencia disponible del motor: el giro máximo que la aeronave puede lograr y mantener es su rendimiento de giro sostenido . A medida que aumenta el ángulo de alabeo, también lo hace la fuerza g aplicada al avión, lo que tiene el efecto de aumentar la carga alar y también la velocidad de pérdida . Este efecto también se experimenta durante las maniobras de lanzamiento nivelado . ^[11]

Factor de carga que varía con la altitud a 50 o 100 lb / ft2

Como la pérdida se debe a la carga alar y al coeficiente de elevación máximo a una altitud y velocidad determinadas, esto limita el radio de giro debido al factor de carga máximo . A Mach 0.85 y 0.7 coeficiente de sustentación, una carga alar de 50 lb / pie cuadrado (240 kg / m ² ) puede alcanzar un límite estructural de 7.33 g hasta 15,000 pies (4,600 m) y luego disminuye a 2,3 ga 40,000 pies ( 12.000 m). Con una carga alar de 490 kg / m ² (100 lb / ft2 ), el factor de carga es dos veces menor y apenas llega a 1 ga 40.000 pies. ^[12]

Las aeronaves con cargas de ala baja tienden a tener un rendimiento superior en virajes sostenidos porque pueden generar más sustentación para una determinada cantidad de empuje del motor. El ángulo de alabeo inmediato que puede alcanzar una aeronave antes de que el arrastre se desvanezca gravemente de la velocidad aérea se conoce como rendimiento de giro instantáneo . Una aeronave con un ala pequeña y muy cargada puede tener un rendimiento de viraje instantáneo superior, pero un rendimiento de viraje sostenido deficiente: reacciona rápidamente a la entrada de control, pero su capacidad para sostener un viraje cerrado es limitada. Un ejemplo clásico es el F-104 Starfighter , que tiene un ala muy pequeña y una alta carga alar de 723 kg / m ² (148 lb / sq ft).

En el extremo opuesto del espectro estaba el gran Convair B-36 : sus grandes alas daban como resultado una carga de ala baja de 269 kg / m ² (55 lb / pies cuadrados) que podría hacer que soportara giros más cerrados a gran altitud que los aviones de combate contemporáneos. , mientras que el Hawker Hunter, ligeramente posterior, tenía una carga alar similar de 344 kg / m ² (70 lb / ft2). El prototipo de avión de pasajeros Boeing 367-80 podría rodar a bajas altitudes con una carga alar de 387 kg / m ² (79 lb / pies cuadrados) con un peso máximo.

Como cualquier cuerpo en movimiento circular , una aeronave que es lo suficientemente rápida y fuerte para mantener un vuelo nivelado a velocidad v en un círculo de radio R acelera hacia el centro en . Esa aceleración es causada por el componente horizontal hacia adentro del ascensor , donde es el ángulo de inclinación. Luego, de la segunda ley de Newton ,${\displaystyle \scriptstyle {\frac {v^{2}}{R}}}$${\displaystyle \scriptstyle Lsin\theta }$${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \textstyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$

Resolver para R da

${\displaystyle \textstyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$

Cuanto menor sea la carga alar, más cerrado será el giro.

Los planeadores diseñados para explotar las térmicas necesitan un pequeño círculo de giro para permanecer dentro de la columna de aire ascendente, y lo mismo ocurre con las aves en vuelo. Otras aves, por ejemplo las que atrapan insectos en el ala, también necesitan una gran maniobrabilidad. Todos necesitan cargas de alas bajas.

Efecto sobre la estabilidad

La carga alar también afecta la respuesta a las ráfagas , el grado en que la aeronave se ve afectada por las turbulencias y las variaciones en la densidad del aire. Un ala pequeña tiene menos área sobre la que puede actuar una ráfaga, las cuales sirven para suavizar el viaje. Para vuelos de alta velocidad y bajo nivel (como un bombardeo rápido a bajo nivel en un avión de ataque ), es preferible un ala pequeña, delgada y muy cargada: los aviones con una carga de ala baja a menudo están sujetos a un duro y castigo. montar en este régimen de vuelo. El F-15E Strike Eagle tiene una carga alar de 650 kilogramos por metro cuadrado (130 lb / pies cuadrados) (excluyendo las contribuciones del fuselaje al área efectiva), mientras que la mayoría de los aviones de ala delta (como el Dassault Mirage III , para el cual W_S = 387 kg / m ² ) tienden a tener alas grandes y cargas de alas bajas. ^{[ cita requerida ]}

Cuantitativamente, si una ráfaga produce una presión hacia arriba de G (en N / m ² , digamos) en una aeronave de masa M , la aceleración hacia arriba a estará dada por la segunda ley de Newton por

${\displaystyle \textstyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}}}$,

disminuyendo con la carga alar.

Efecto del desarrollo

Una complicación adicional con la carga alar es que es difícil alterar sustancialmente el área del ala de un diseño de avión existente (aunque son posibles mejoras modestas). A medida que se desarrollan las aeronaves, son propensas a un " aumento de peso ": la adición de equipos y características que aumentan sustancialmente la masa operativa de la aeronave. Un avión cuya carga alar es moderada en su diseño original puede terminar con una carga alar muy alta a medida que se agregan nuevos equipos. Aunque los motores pueden reemplazarse o actualizarse para un empuje adicional, los efectos en el rendimiento de giro y despegue que resultan de una mayor carga alar no se concilian tan fácilmente.

Uso de lastre de agua en planeadores

Los planeadores modernos a menudo usan lastre de agua transportado en las alas para aumentar la carga del ala cuando las condiciones de vuelo son fuertes. Al aumentar la carga alar, se puede aumentar la velocidad media alcanzada en todo el país para aprovechar las fuertes térmicas. Con una carga de ala más alta, se logra una relación de sustentación / arrastre dada a una velocidad aerodinámica más alta que con una carga de ala más baja, y esto permite una velocidad promedio más rápida en todo el país. El lastre se puede expulsar por la borda cuando las condiciones se debilitan para maximizar la velocidad del planeador a campo traviesa en las competiciones de vuelo sin motor .

Consideraciones de diseño

Elevación del fuselaje

El F-15E Strike Eagle tiene un ala grande con una carga relativamente ligera.

Un diseño combinado de fuselaje y ala como el que se encuentra en el General Dynamics F-16 Fighting Falcon o el Mikoyan MiG-29 Fulcrum ayuda a reducir la carga alar; en tal diseño, el fuselaje genera sustentación aerodinámica, mejorando así la carga alar mientras se mantiene un alto rendimiento.

Ala de barrido variable

Aviones como el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado emplean alas de barrido variable . Como el área de sus alas varía en vuelo, también lo hace la carga alar (aunque este no es el único beneficio). Cuando el ala está en la posición delantera, el rendimiento de despegue y aterrizaje mejora considerablemente. ^[13]

Aletas de cazador

Como todos los flaps del avión, Fowler solapas aumentar la comba y por lo tanto C _L , bajando la velocidad de aterrizaje. También aumentan el área del ala, disminuyendo la carga alar, lo que reduce aún más la velocidad de aterrizaje. ^[14]

Ver también

• Carga de disco
• Coeficiente de sustentación

Referencias

Notas

1. "Definición de carga de ala" . Merriam Webster.
2. Henk Tennekes (2009). La ciencia simple del vuelo: de los insectos a los jets gigantes . MIT Press. ISBN 9780262513135., "Figura 2: El gran diagrama de vuelo" .
3. Thomas Alerstam, Mikael Rosén, Johan Bäckman, Per G. P Ericson, Olof Hellgren (17 de julio de 2007). "Velocidades de vuelo entre especies de aves: efectos alométricos y filogenéticos" . PLOS Biología . 5 (8): e197. doi : 10.1371 / journal.pbio.0050197 . PMC 1914071 . PMID 17645390 .  
4. Meunier, K. Korrelation und Umkonstruktionen in den Größenbeziehungen zwischen Vogelflügel und Vogelkörper-Biologia Generalis 1951: págs. 403-443. [Artículo en alemán]
5. Gérard Florit (23 de enero de 2016). "Ozone Buzz Z3" . P @ r @ 2000 .
6. "Deporte 2 / 2C" . Wills Wing.
7. "Sección 3 del código deportivo: deslizamiento" . Fédération Aéronautique Internationale . 12 de octubre de 2016.
8. "Ultraligeros" . Autoridad de Aviación Civil del Reino Unido. o una velocidad de pérdida al peso máximo autorizado que no supere los 35 nudos de velocidad calibrada
9. Anderson, 1999 p. 58
10. Anderson, 1999 págs. 201-3
11. Spick, 1986. p. 24.
12. Laurence K. Loftin, Jr. (1985). "Capítulo 11 - Maniobrabilidad de la aeronave". Búsqueda de rendimiento: la evolución de las aeronaves modernas . Subdivisión de Información Científica y Técnica de la NASA.
13. Spick, 1986. págs. 84-87.
14. Anderson 1999, págs. 30-1

Bibliografía

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Rendimiento y diseño de aeronaves . Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance-Corea a Vietnam . Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1.

Notas

1. 138 especies de 10 ga 10 kg, desde pequeños paseriformes hasta cisnes y grullas
2. al peso máximo
3. legislación promulgada
4. para un avión terrestre de dos asientos
5. al peso máximo

Enlaces externos

• Laurence K. Loftin, Jr. (1985). "Capítulo 7: Tendencias de diseño: velocidad de pérdida, carga del ala y coeficiente de elevación máximo". Búsqueda de rendimiento: la evolución de las aeronaves modernas . Subdivisión de Información Científica y Técnica de la NASA.
• Earl L. Poole (1938). "Pesos y áreas de las alas en las aves de América del Norte" (PDF) . El Auk .