Ala cargando - Wing loading

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 o animal volador dividida por el área de su ala. La velocidad de pérdida de un avión en vuelo recto y nivelado está determinada en parte por su carga alar. Un avión o animal con una carga alar baja tiene un área de ala más grande en relación con su masa, en comparación con uno con una carga alar 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, los aviones más rápidos generalmente tienen cargas de ala más altas que los aviones más lentos. 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 ala

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 sobre 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

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 . 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) yg la aceleración debida a la gravedad, esa ecuación da la velocidad v a través de

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

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 sobre el rendimiento del torneado

Para virar, un avión debe rodar en la dirección del viraje, aumentando el ángulo de alabeo 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 desviación 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 cerrado era el radio de giro que se intentaba, más resistencia inducía; esto requiere que se agregue potencia (empuje) para superar la resistencia. La velocidad de giro máxima posible para un diseño de aeronave 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 a la aeronave, lo que tiene el efecto de aumentar la carga del ala y también la velocidad de pérdida . Este efecto también se experimenta durante las maniobras de lanzamiento nivelado .

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.

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 aerodinámica 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 aprovechar las térmicas necesitan un pequeño círculo de giro para permanecer dentro de la columna de aire ascendente, y lo mismo ocurre con las aves que se elevan. 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 la turbulencia 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 / pie cuadrado) (excluyendo las contribuciones del fuselaje al área efectiva), mientras que la mayoría de los aviones de ala delta (como el Dassault Mirage III , para los cuales W _S = 387 kg / m ² ) tienden a tener alas grandes y cargas de alas bajas.

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 / resistencia determinada a una velocidad aérea 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 o antes del aterrizaje.

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.

Flaps 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.

Ver también

• Carga de disco
• Coeficiente de sustentación

Referencias

Notas

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

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 .