ALAS (I)

La forma de las alas es quizá el factor de mayor importancia cuando uno quiere volar (aparte del hecho, por supuesto, de que es necesario tener alas para hacerlo). Ya seáis aves marinas de esas que vuelan larguísimas distancias, planeadores natos como los buitres, o ases de la velocidad como los halcones, vuestra forma de volar va a estar siempre, sin excepción, determinada por la forma de vuestras alas. Pero antes de explicar nada, hay que introducir algunos de los parámetros que se usan para definir la forma en planta de un ala:

Según los humanos, en los pájaros se pueden observar cuatro tipos de alas (que ningún chorlito se ofenda por no estar recogido en esta clasificación; recordad que la han hecho los humanos):

• El ala elíptica, como la que tenemos los córvidos y la mayoría de los pájaros adaptados a moverse por el bosque, es corta y ancha (es decir, de bajo alargamiento), redondeada y muy ranurada, lo que nos permite mucha maniobrabilidad y buena sustentación a bajas velocidades.
• Las golondrinas, halcones y demás amantes de la velocidad tienen unas alas estrechas (alto alargamiento) y sin ranuras, y un perfil con poca curvatura, y suelen tener un poco de flecha. Esta configuración les permite volar muy rápido con la menor resistencia aerodinámica posible.
• Las aves migratorias marinas, como el albatros, tienen unas alas de muy alto alargamiento, no ranuradas, para volar rápido y con el mínimo gasto de energía.
• Y los planeadores de tierra adentro, como las rapaces y los buitres, tienen alas de alargamiento relativamente bajo y muy ranuradas, con un perfil bastante curvo, que les permite llevar cargas pesadas y gastar la mínima energía posible durante el vuelo, así como volar a baja velocidad.

También hay quien no tiene alas y se las fabrica por pura envidia (léase humanos). Y, como suele ocurrir con casi todo lo que hacen los susodichos, han terminado por crear cosas verdaderamente estrambóticas. En lo referente a formas en planta, por ejemplo, ya les queda poco por probar (aunque nunca se sabe por dónde puede salir un humano inspirado).

Comenzaron con lo más sencillo que se les pudo ocurrir: la planta rectangular. Pero este diseño presenta bastantes problemas, sobre todo cuando las velocidades comienzan a ser un poco altas, porque produce mucha resistencia. Luego se les ocurrió estrechar gradualmente las alas desde la raíz (o encastre) hasta la punta. Esta forma tiene algunas ventajas en relación con la anterior: refuerza la estructura en el encastre del ala y reduce la resistencia aerodinámica. Aunque el hecho de que la cuerda se vaya reduciendo hacia la punta hace que sea más propensa a entrar en pérdida en esa zona, lo que suele solucionarse retorciéndola, de manera que el ángulo de ataque de la punta sea mayor que el de la raíz. Pero esto, claro, también aumenta la resistencia aerodinámica.

Resulta que la resistencia tiene un mínimo para una distribución de sustentación con forma elíptica. Así que los humanos intentaron conseguir el ala perfecta con esa forma (Heinkel He-70), aunque pronto descubrieron que, con este diseño, toda el ala entraba súbitamente en pérdida y era imposible controlar el avión cuando esto sucedía. Modificando ligeramente la forma del ala consiguieron paliar este efecto (el famoso Spitfire, por ejemplo). Pero la mejora en aerodinámica no compensaba el coste que suponía fabricar una forma en planta tan compleja, ya que un ala recta con un estrechamiento de 0,4 o 0,5 produce una resistencia similar. Así que el diseño fue abandonado (como es costumbre entre los humanos cuando consideran que algo no es rentable).

Las siguientes en llegar fueron las alas en flecha, y lo hicieron cuando la velocidad de los aviones se acercó al régimen transónico. En estas condiciones comienza a aparecer otro tipo de resistencia aerodinámica: la resistencia de onda, asociada a la aparición de ondas de choque (ya hemos hablado de esto otras veces). Antes de llegar a vuelo supersónico aparecen ondas de choque locales en algunos puntos del avión, particularente en el extradós del ala, debido a que en esos puntos se alcanza la velocidad del sonido. Si el ala se coloca oblicua con respecto a la corriente, parte del aire puede desviarse siguiendo el borde de ataque, por lo que el flujo restante cruza el ala con menor velocidad. Es decir, es sólo la componente perpendicular al ala la que puede ocasionar ondas de choque. Cuanto menor sea esta componente (disminuye al aumentar la flecha), más velocidad neta necesitarán las ondas de choque para formarse, y, aunque el avión vuele a velocidades cercanas al transónico, la resistencia de onda será pequeña.

Cuando se alcanza y supera la velocidad del sonido, el punto más adelantado crea una onda de choque que afecta a todo lo que tiene detrás y tiene forma cónica. El cono será más afilado cuanto mayor sea la velocidad a la que vuela el avión. El objetivo en este caso es que las alas se mantengan siempre dentro de dicho cono, ya que en su interior la velocidad perpendicular al mismo es siempre subsónica y el comportamiento de las alas será bueno. Por tanto, cuanto mayor sea la velocidad de crucero de un avión, mayor deberá ser su flecha. Para régimen transónico debería valer entre 30 y 50 grados, dependiendo de la velocidad de crucero, y para vuelo supersónico la flecha debería ser mayor de 50 grados.

A bajas velocidades, sin embargo, el hecho de que parte del flujo se desvíe a lo largo del ala, de la raíz a la punta, es perjudicial, porque hace que las puntas entren en pérdida (pudiendo ocasionar la «danza del Sabre», como la llamaron los humanos debido a que el F-86 Sabre tenía la mala costumbre de hacer eso). Además, la resistencia es mayor que si el ala no tuviera flecha. Se han diseñado varios aviones de flecha variable para intentar adaptar la flecha a las condiciones de vuelo (por ejemplo, el F-14), pero este sistema penaliza el peso y complica la estructura del avión.

La flecha invertida (X-29, Su-47) es una solución equivalente a la anterior para altas velocidades de vuelo, por las mismas razones. Sin embargo, presenta algunas diferencias. No tiene problemas de entrada en pérdida, porque el flujo de aire recorre el ala de la punta hacia la raíz, donde el fuselaje ayuda a reducir el desprendimiento de la corriente, y además, si es un ala con estrechamiento, la superficie es mayor cerca del encastre, proporcionando más sustentación. Por el contrario, son más inestables, y un avión con este diseño depende por completo de sistemas como el fly-by-wire, aunque esta misma inestabilidad también hace que sean más maniobrables.

El ala en delta es un buen diseño para aviones supersónicos, ya que tiene un ángulo de flecha elevado y muy buen comportamiento a altas velocidades. Frente a un ala en flecha normal presenta las ventajas de ser más fácil de construir y mucho más robusta, además de disponer de mayor volumen en su interior para alojar mecanismos o combustible. La entrada en pérdida se produce para ángulos de ataque más elevados que en las alas en flecha. Sin embargo, los primeros diseños de ala en delta tenían una eficiencia aerodinámica muy pobre a bajas velocidades, por lo que los despegues y aterrizajes debían hacerse en pistas muy largas y a alta velocidad (lo que los hacía bastante peligrosillos), y presentaban problemas de estabilidad. Esto hizo que el diseño fuera casi abandonado. Fue en los años 70, con la llegada del fly-by-wire y la introducción de ligeros cambios en la geometría puramente delta, cuando se rescató el concepto. Muchos aviones modernos han conseguido retener las buenas cualidades del ala en delta y minimizar sus inconvenientes, obteniendo muy buena maniobrabilidad y altas prestaciones en un rango bastante amplio de condiciones de vuelo. Como ejemplo, un vídeo bastante espectacular del Su-27 haciendo la Cobra de Pugachev.

Otros diseños en delta incluyen el canard, además del fly-by-wire, con muy buenos resultados también, ya que ayuda a obtener la sustentación necesaria en el vuelo a baja velocidad, además de hacer el avión más maniobrable (JAS 39 Gripen, Eurofighter Typhoon).

Hasta aquí hemos tratado los tipos de ala más comunes. Los humanos han diseñado cosas realmente extravagantes, aunque muchas de ellas se basan en los principios que hemos visto, como por ejemplo el ala oblicua, que persigue el mismo objetivo que el ala en flecha:

Las alas en anillo, que para el mismo alargamiento tienen mayor eficiencia aerodinámica que un ala plana:

O los extraños diseños facetados de los aviones espías, como el F-117 (que en realidad penalizan la aerodinámica).

O, en fin, cosas más raras todavía.

Para los chorlitos que quieran ampliar información, unos enlaces: sobre el vuelo de las aves, sobre vuelo supersónico y sobre formas de alas.