Dispositivo de punta de ala

Los dispositivos de punta de ala están diseñados para mejorar la eficiencia de las aeronaves de ala fija al reducir la resistencia aerodinámica . ^{[ 1 ]} Aunque existen varios tipos de dispositivos de punta de ala que funcionan de diferentes maneras, su efecto previsto siempre es reducir la resistencia aerodinámica de una aeronave. Estos dispositivos reducen la resistencia aerodinámica al aumentar la altura del sistema de sustentación, sin aumentar significativamente la envergadura . Extender la envergadura reduciría la resistencia inducida por la sustentación , pero aumentaría la resistencia parásita y requeriría aumentar la resistencia y el peso del ala. En algún punto, no hay ningún beneficio neto al aumentar aún más la envergadura. También puede haber consideraciones operacionales que limiten la envergadura aerodinámica permitida (por ejemplo, el ancho disponible en las puertas de embarque del aeropuerto ).

Cuando un ala convencional genera sustentación, también experimenta resistencia inducida por sustentación . El aire de mayor presión bajo el ala fluye hacia la superficie de menor presión en la punta del ala, lo que genera un vórtice causado por el movimiento hacia adelante de la aeronave. La teoría del plano de Trefftz muestra que aumentar la altura del sistema de sustentación disminuirá la resistencia inducida. Una aleta vertical o un winglet reducirá la resistencia inducida si se coloca en cualquier punto del ala fuera del centro de la aeronave, pero es más eficaz cuando se coloca en la punta del ala. ^{[ 2 ]}

Al reducir la resistencia aerodinámica, los dispositivos en las puntas de las alas aumentan la eficiencia del combustible y el alcance de la aeronave . El rendimiento de la aeronave aumenta, lo que permite reducir la longitud de la pista de despegue debido a un mejor rendimiento de ascenso, y aumentar la altitud y la velocidad de crucero. El ruido de despegue también se reduce. ^{[ 2 ]} En los planeadores , la reducción de la resistencia inducida resulta en una mayor velocidad de vuelo a campo traviesa, lo que nuevamente aumenta el alcance. ^{[ 1 ]} Los dispositivos en las puntas de las alas también pueden mejorar la seguridad de las aeronaves que siguen, al reducir la fuerza de los vórtices de las puntas de las alas .

Estudios de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos indican que una mejora determinada en la eficiencia del combustible se correlaciona directamente con el aumento causal en la relación sustentación-resistencia de la aeronave. ^{[ 3 ]}

El avión comercial promedio experimenta un aumento del 4 al 6 por ciento en la eficiencia del combustible y una disminución de hasta un 6 por ciento en el ruido en vuelo gracias al uso de winglets. El ahorro real de combustible y las emisiones de carbono asociadas pueden variar significativamente según el avión, la ruta y las condiciones de vuelo. ^{[ 4 ]}

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  Winglet inclinado del Boeing 747-400
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  Airbus A320 con "pequeño tiburón" integrado.
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  Boeing 767-400ER con puntas de ala inclinadas
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  Valla de la punta del ala del Airbus A310-300
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  Punta de ala integrada del Airbus A330neo

El término «winglet» se utilizaba anteriormente para describir una superficie sustentadora adicional en una aeronave, como una sección corta entre las ruedas en un tren de aterrizaje fijo. La investigación de Richard Whitcomb en la década de 1970 en la NASA fue la primera en utilizar el término winglet con su significado moderno, refiriéndose a la extensión casi vertical de las puntas de las alas . ^{[ 11 ]}

Otro beneficio potencial de los winglets es que reducen la intensidad de los vórtices de estela . ^{[ 12 ]} Estos se acumulan detrás del avión y representan un peligro para las aeronaves que lo siguen, como un avión más pequeño que despega (o aterriza) después de un avión más grande. ^{[ 13 ]} Los requisitos de separación mínima entre operaciones de aeronaves en los aeropuertos están en gran medida dictados por estos factores. Las aeronaves se clasifican por peso (por ejemplo, "Ligeras", "Pesadas", etc.) porque la fuerza del vórtice aumenta con el coeficiente de sustentación de la aeronave y, por lo tanto, la turbulencia asociada es mayor a baja velocidad y alto peso, lo que produjo un alto ángulo de ataque .

Los winglets y los deflectores de punta de ala también aumentan la eficiencia al reducir la interferencia de los vórtices con el flujo de aire laminar cerca de las puntas del ala, ^{[ 14 ]} al "mover" la confluencia del aire de baja presión (sobre el ala) y de alta presión (debajo del ala) lejos de la superficie del ala. Los vórtices de punta de ala crean turbulencia, que se origina en el borde de ataque de la punta del ala y se propaga hacia atrás y hacia adentro. Esta turbulencia "delamina" el flujo de aire sobre una pequeña sección triangular del ala exterior, lo que destruye la sustentación en esa área. El deflector/winglet impulsa el área donde se forma el vórtice hacia arriba, lejos de la superficie del ala, ya que el centro del vórtice resultante ahora está en la punta del winglet.

La mejora en el ahorro de combustible gracias a los winglets aumenta con la duración de la misión. ^{[ 15 ]} Los winglets integrados permiten un ángulo de ataque más pronunciado, reduciendo así la distancia de despegue . ^{[ 16 ]}

Desarrollo temprano

Richard T. Whitcomb , ingeniero del Centro de Investigación Langley de la NASA , desarrolló aún más el concepto de Hoerner en respuesta al fuerte aumento del precio del combustible tras la crisis del petróleo de 1973. Mediante un cuidadoso diseño aeronáutico, demostró que, para un momento flector dado, un winglet casi vertical ofrece una mayor reducción de la resistencia aerodinámica en comparación con una extensión horizontal de la envergadura. ^{[ 17 ]} Whitcomb fue el primero en lograr un beneficio neto en la reducción de la resistencia aerodinámica mediante un diseño cuidadoso para mantener la resistencia de perfil al mínimo. ^{[ 2 ]}

Los diseños de Whitcomb fueron probados en vuelo entre 1979 y 1980 por un equipo conjunto de la NASA y la Fuerza Aérea, utilizando un KC-135 Stratotanker con base en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden . ^{[ 5 ]} También se utilizaron un Lockheed L-1011 y un McDonnell Douglas DC-10 para las pruebas, y este último diseño fue implementado directamente por McDonnell Douglas en el derivado MD-11 , que se lanzó en 1990. ^{[ 5 ]}

En mayo de 1983, un estudiante de la escuela secundaria Bowie High School en Maryland ganó un gran premio en la 34.ª Feria Internacional de Ciencia e Ingeniería en Albuquerque, Nuevo México , por el resultado de su investigación sobre dispositivos en las puntas de las alas para reducir la resistencia aerodinámica. ^{[ 18 ]} Ese mismo mes, solicitó una patente estadounidense para "perfiles aerodinámicos en las puntas de las alas", que se publicó en 1986. ^{[ 19 ]}

Implementaciones

Learjet exhibió el prototipo Learjet 28 en la convención de la Asociación Nacional de Aviación Comercial de 1977. Este avión incorporaba los primeros winglets utilizados en una aeronave de producción, ya fuera civil o militar. Learjet desarrolló el diseño de los winglets sin la ayuda de la NASA. Si bien el Modelo 28 estaba concebido como un prototipo experimental, su rendimiento fue tal que Learjet se comprometió a producirlo en serie. Las pruebas de vuelo demostraron que los winglets aumentaban el alcance en aproximadamente un 6,5 % y mejoraban la estabilidad direccional. Learjet continuó aplicando winglets a aeronaves de producción en modelos más recientes, como el Learjet 55 , 31 , 60 , 45 y 40 .

Gulfstream Aerospace exploró los winglets a finales de la década de 1970 y los incorporó en los Gulfstream III , Gulfstream IV y Gulfstream V. El alcance del Gulfstream V de 6500 millas náuticas (12 000 km) permite rutas sin escalas como Nueva York-Tokio, y ostenta más de 70 récords de vuelo mundiales y nacionales. ^{[ 5 ]} Burt Rutan combinó winglets y estabilizadores verticales, que aparecieron en el diseño de su avión ejecutivo Beechcraft Starship, que realizó su primer vuelo en 1986.  

Los winglets también se aplican a otras aeronaves comerciales, reduciendo la distancia de despegue para operar desde aeropuertos más pequeños y permitiendo mayores altitudes de crucero. Además de los winglets en los nuevos diseños, los proveedores de repuestos desarrollaron adaptaciones. Winglet Technology, LLC de Wichita, Kansas, debería haber probado sus winglets elípticos diseñados para aumentar el alcance de carga útil en despegues a altas temperaturas y altitudes elevadas para adaptarlos al Citation X. ^{[ 20 ]}

El Rutan Voyager de Rutan, el primer avión en circunnavegar el mundo sin repostar en 1986, estaba equipado con winglets convencionales. Sin embargo, las puntas de las alas resultaron dañadas al rozar la pista durante el despegue, perdiendo aproximadamente 30  cm (1 pie) de cada una, por lo que el vuelo se realizó sin winglets. ^{[ 21 ]}

valla de punta de ala

Un wingtip fence se refiere a los winglets que incluyen superficies que se extienden tanto por encima como por debajo de la punta del ala, como se describe en la investigación inicial de Whitcomb. ^{[ 11 ]} Ambas superficies son más cortas que o equivalentes a un winglet que posee beneficios aerodinámicos similares. El Airbus A310-300 fue el primer avión de pasajeros con wingtip fences en 1985. ^{[ 22 ]} Otros modelos de Airbus siguieron con el A300-600 , el A320ceo y el A380 . Otros modelos de Airbus, incluidos el Airbus A320 Enhanced , el A320neo , el A350 y el A330neo, tienen winglets integrados en lugar de wingtip fences. El Antonov An-158 utiliza wingtip fences.

Alas inclinadas

Boeing anunció una nueva versión del 747 , el 747-400 , en 1985, con mayor alcance y capacidad, utilizando una combinación de winglets y mayor envergadura para soportar la carga adicional. Los winglets aumentaron el alcance del 747-400 en un 3,5% con respecto al 747-300, que por lo demás es aerodinámicamente idéntico pero no tiene winglets. La variante 747-400D carece de las extensiones de punta de ala y winglets incluidos en otros 747-400, ya que los winglets proporcionarían beneficios mínimos en rutas de corto recorrido, además de añadir peso y coste adicionales, aunque el -400D puede convertirse a la versión de largo alcance si es necesario. ^{[ 1 ]} Los winglets son los preferidos para los diseños derivados de Boeing basados ​​en plataformas existentes, porque permiten la máxima reutilización de componentes existentes. Los diseños más nuevos están favoreciendo una mayor envergadura, otros dispositivos en las puntas de las alas o una combinación de ambos, siempre que sea posible.

El Ilyushin Il-96 fue el primer avión a reacción ruso moderno en incorporar winglets en 1988. El Bombardier CRJ-100 /200 fue el primer avión regional en incorporar winglets en 1992. El A340 / A330 le siguió con winglets inclinados en 1993/1994. El Tupolev Tu-204 fue el primer avión de fuselaje estrecho en incorporar winglets en 1994. El Airbus A220 (antes CSeries), desde 2016, cuenta con winglets inclinados.

Alas combinadas

Un winglet integrado se une al ala con una curva suave en lugar de un ángulo agudo y está diseñado para reducir la resistencia por interferencia en la unión ala/winglet. Un ángulo interior agudo en esta región puede interactuar con el flujo de la capa límite, provocando un vórtice que genera resistencia y anula parte del beneficio del winglet. Aviation Partners, con sede en Seattle, desarrolla winglets integrados como modificaciones para los aviones Gulfstream II , Hawker 800 y Falcon 2000 .

On February 18, 2000, blended winglets were announced as an option for the Boeing 737-800; the first shipset was installed on 14 February 2001 and entered revenue service with Hapag-Lloyd Flug on 8 May 2001.^[23] The Aviation Partners/Boeing 8 ft (2.4 m) extensions decrease fuel consumption by 4% for long-range flights and increase range by 130 or 200 nmi (240 or 370 km) for the 737-800 or the derivative Boeing Business Jet as standard.^[1] Also offered for the 737 Classic, many operators have retrofitted their fleets with these for the fuel savings. Aviation Partners Boeing also offers blended winglets for the 757 and 767-300ER.^[24] In 2006, Airbus tested two candidate blended winglets, designed by Winglet Technology and Airbus for the Airbus A320 family.^[25] In 2009, Airbus launched its "Sharklet" blended winglet, designed to enhance the payload-range of its A320 family and reduce fuel burn by up to 4% over longer sectors.^[26] This corresponds to an annual CO₂ reduction of 700 tonnes per aircraft.^[27] The A320s fitted with Sharklets were delivered beginning in 2012.^[28][29] They are used on the A320neo, the A330neo and the A350. They are also offered as a retrofit option.^[29][30]

Raked wingtip

Las puntas de ala inclinadas, donde la punta tiene un mayor ángulo de flecha que el resto del ala, se encuentran en algunos aviones comerciales Boeing y Embraer para mejorar la eficiencia del combustible , el despegue y el rendimiento de ascenso. Al igual que los winglets, aumentan la relación de aspecto efectiva del ala y disminuyen los vórtices de la punta del ala , reduciendo la resistencia inducida por la sustentación. En pruebas realizadas por Boeing y la NASA, reducen la resistencia hasta en un 5,5 %, en comparación con el 3,5 % al 4,5 % de los winglets convencionales. ^{[ 1 ]} Si bien un aumento en la envergadura sería más efectivo que un winglet de la misma longitud, su momento flector es mayor. Un winglet de 3 pies (91 cm) proporciona la ganancia de rendimiento de un aumento de envergadura de 2 pies (61 cm) , pero tiene la fuerza de flexión de un aumento de envergadura de 1 pie (30 cm) . ^{[ 31 ]}      

Las puntas de ala inclinadas ofrecen varias ventajas en cuanto a la reducción de peso en comparación con la simple extensión de la envergadura principal convencional . En condiciones de diseño estructural con alto factor de carga, las cuerdas más pequeñas de la punta del ala están sometidas a menor carga, lo que resulta en una menor carga inducida en el ala principal exterior. Además, el barrido del borde de ataque hace que el centro de presión se ubique más hacia atrás que en el caso de simples extensiones de la envergadura de las alas principales convencionales. Con altos factores de carga, esta ubicación relativamente posterior del centro de presión provoca que la punta del ala inclinada se tuerza más hacia abajo del borde de ataque, reduciendo el momento flector en el ala interior. Sin embargo, el movimiento relativo hacia atrás del centro de presión acentúa el aleteo . ^{[ 32 ]}

Las puntas de ala inclinadas se instalan en el Boeing 767 -400ER (primer vuelo el 9 de octubre de 1999), las variantes -200LR/-300ER/F del Boeing 777 (12 de junio de 1994) incluyendo el futuro 777X , el Boeing P-8 Poseidon derivado del 737 (25 de abril de 2009), todas las variantes del Boeing 787 (15 de diciembre de 2009) (el cancelado Boeing 787-3 habría tenido una envergadura de 170 pies (51,7 m) para ajustarse al Código de Referencia de Aeródromo D de la OACI, ya que su envergadura se redujo utilizando winglets integrados en lugar de puntas de ala inclinadas ^{[ 33 ]} ), y el Boeing 747-8 (8 de febrero de 2010). Las alas del Embraer E-jet E2 y del C-390 Millennium también tienen puntas de ala inclinadas.  

Punta dividida

El McDonnell Douglas MD-11 fue el primer avión con winglets de punta dividida en 1990.

Para el 737 Next Generation , el proveedor externo Aviation Partners ha introducido un diseño similar al del dispositivo de punta de ala del 737 MAX conocido como winglet de cimitarra dividida, ^{[ 34 ]} con United Airlines como cliente de lanzamiento. ^{[ 35 ]}

El Boeing 737 MAX utiliza un nuevo tipo de dispositivo en la punta del ala, el Winglet de tecnología avanzada. ^{[ 36 ]} Con una apariencia de híbrido de tres vías entre un winglet, una valla en la punta del ala y una punta de ala inclinada, Boeing afirma que este nuevo diseño debería proporcionar una mejora adicional del 1,5 % en el ahorro de combustible con respecto a la mejora del 10-12 % que ya se espera del 737 MAX.

Planeadores

En 1987, el ingeniero mecánico Peter Masak contactó al aerodinamista Mark D. Maughmer , profesor asociado de ingeniería aeroespacial en la Universidad Estatal de Pensilvania , para diseñar winglets que mejoraran el rendimiento de su planeador de carreras de 15 metros (49 pies) de envergadura . Otros habían intentado aplicar los winglets de Whitcomb a planeadores anteriormente, y si bien mejoraron el rendimiento de ascenso, esto no compensó la penalización de resistencia parásita en crucero a alta velocidad. Masak estaba convencido de que era posible superar este obstáculo. ^{[ 37 ]} Mediante ensayo y error, finalmente desarrollaron diseños de winglets exitosos para competiciones de vuelo sin motor , utilizando un nuevo perfil aerodinámico PSU-90-125 , diseñado por Maughmer específicamente para la aplicación de winglets. En el Campeonato Mundial de Vuelo sin Motor de 1991 en Uvalde, Texas , el trofeo a la mayor velocidad fue para un planeador de 15 metros de envergadura limitada equipado con winglets, superando la mayor velocidad en la Clase Abierta de envergadura ilimitada , un resultado excepcional. ^{[ 38 ]} Masak ganó la competición nacional de vuelo sin motor de 15 metros de EE. UU. de 1993, utilizando winglets en su prototipo Masak Scimitar . ^{[ 39 ]} 

Los winglets Masak se adaptaron originalmente a planeadores de producción, pero a los 10 años de su introducción, la mayoría de los planeadores de alto rendimiento venían equipados de fábrica con winglets u otros dispositivos en las puntas de las alas. ^{[ 40 ]} Pasaron más de diez años antes de que los winglets aparecieran por primera vez en un avión de pasajeros de producción, la aplicación original que fue el foco del desarrollo de la NASA. Sin embargo, una vez que se demostraron las ventajas de los winglets en competición, su adopción fue rápida en los planeadores. La diferencia de puntos entre el ganador y el segundo clasificado en las competiciones de vuelo sin motor suele ser inferior al uno por ciento, por lo que incluso una pequeña mejora en la eficiencia supone una ventaja competitiva significativa. Muchos pilotos no competitivos instalaron winglets para obtener ventajas en el manejo, como una mayor velocidad y autoridad de alabeo y una menor tendencia a la entrada en pérdida en las puntas de las alas . Los beneficios son notables, porque los winglets de los planeadores deben ser desmontables para permitir que el planeador se guarde en un remolque , por lo que normalmente solo se instalan a preferencia del piloto.

El Glaser-Dirks DG-303 , un diseño derivado de un planeador de las primeras generaciones, incorpora winglets como equipamiento estándar de fábrica.

Aviation Partners desarrolló y probó en vuelo un winglet Spiroid de superficie cerrada en un Falcon 50 en 2010. ^{[ 41 ]}

Las puntas de ala no planas suelen estar inclinadas hacia arriba en una configuración de ala poliédrica, lo que aumenta el diedro local cerca de la punta. Los diseños de alas poliédricas han sido populares en los aeromodelos de vuelo libre durante décadas. Las puntas de ala no planas ofrecen el beneficio de control de estela de los winglets, con una menor penalización de resistencia parásita, si se diseñan cuidadosamente. La punta de ala no plana suele estar inclinada hacia atrás como una punta de ala en flecha y también puede combinarse con un winglet . Un winglet es también un caso especial de punta de ala no plana.

Tras la Segunda Guerra Mundial, antes de la introducción de los winglets, los diseñadores de aeronaves emplearon principalmente alas planas con diedro simple. Con la amplia aceptación de los winglets en los nuevos diseños de planeadores de la década de 1990, los diseñadores buscaron optimizar aún más el rendimiento aerodinámico de sus puntas de ala. Los winglets de los planeadores se adaptaron originalmente directamente a las alas planas, con una pequeña área de transición casi en ángulo recto. Una vez optimizado el rendimiento del winglet, la atención se centró en la transición entre el ala y el winglet. Una aplicación común consistía en estrechar el área de transición desde la cuerda de la punta del ala hasta la cuerda del winglet e inclinarla hacia atrás para colocar el winglet en la posición óptima. Si la parte estrecha se inclinaba hacia arriba, también se podía reducir la altura del winglet. Finalmente, los diseñadores emplearon múltiples secciones no planas, cada una inclinada hacia arriba en un ángulo mayor, prescindiendo por completo de los winglets.

El Schempp-Hirth Discus-2 y el Schempp-Hirth Duo Discus utilizan puntas de alas no planas.

Tamarack Aerospace Group, una empresa fundada en 2010 por el ingeniero estructural aeroespacial Nicholas Guida, ha patentado un Sistema Activo de Alivio de Carga (ATLAS), una versión modificada de un dispositivo de punta de ala. ^{[ 42 ]} El sistema utiliza Superficies Activas de Curvatura (TACS) de Tamarack para "desactivar" aerodinámicamente los efectos del dispositivo de punta de ala cuando la aeronave experimenta eventos de alta g, como grandes ráfagas o fuertes tirones. Las TACS son paneles móviles, similares a flaps o alerones , en el borde de salida de la extensión del ala. ^{[ 42 ] [ 43 ]} El sistema está controlado por el sistema eléctrico de la aeronave y un servo de alta velocidad que se activa cuando la aeronave detecta un evento de tensión inminente, simulando esencialmente una punta de ala actuadora. Sin embargo, la punta de ala en sí es fija y las TACS son la única parte móvil del sistema de punta de ala. Tamarack introdujo ATLAS por primera vez para la familia de aeronaves Cessna Citation , ^{[ 42 ] [ 43 ]} y ha sido certificado para su uso por la Administración Federal de Aviación y la Agencia Europea de Seguridad Aérea . ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Se han realizado investigaciones sobre dispositivos de accionamiento en las puntas de las alas, incluyendo una solicitud de patente presentada, ^{[ 46 ]} aunque actualmente ninguna aeronave utiliza esta característica como se describe. Las puntas de las alas del XB-70 Valkyrie eran capaces de inclinarse hacia abajo en vuelo para facilitar el vuelo a Mach 3 mediante el uso de la técnica de waveriding .

Los dispositivos de punta de ala también se utilizan en hélices giratorias , rotores de helicópteros y palas de turbinas eólicas para reducir la resistencia, disminuir el diámetro, reducir el ruido y/o mejorar la eficiencia. Al reducir los vórtices de la punta de las palas de las aeronaves que interactúan con la superficie del suelo durante el rodaje , el despegue y el vuelo estacionario , estos dispositivos pueden reducir los daños causados ​​por la suciedad y las pequeñas piedras que se acumulan en los vórtices. ^{[ 47 ]}

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  AgustaWestland AW101 Merlin mostrando el rotor BERP con un perfil distintivo en la punta de las palas.
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  C-130J Super Hercules mostrando hélices tipo cimitarra con puntas inclinadas
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  Vista detallada del dispositivo de la punta del ala en una pala del rotor de una turbina eólica.
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  Ventilador de techo con dispositivos en las puntas de las alas

Aplicaciones de helicópteros

Las palas del rotor principal del AgustaWestland AW101 (anteriormente EH101) tienen una forma de punta distintiva; los pilotos han descubierto que este diseño del rotor altera el campo de flujo descendente y reduce la pérdida de visibilidad , lo que limita la visibilidad en áreas polvorientas y provoca accidentes. ^{[ 48 ]}

• Número de eficiencia de Oswald

• Peter Masak (1991). "Diseño de Winglets para planeadores" .
• Martin Hepperle (mayo de 1993). "Una mirada de cerca a los winglets" . Reunión internacional de vuelo del MFC Osnabrück .
• "Beneficios de los winglets" . Flight International . 1 de mayo de 1996. Los winglets podrían aportar beneficios operativos al Boeing 747-200F.
• "El nuevo Boeing 777-300ER rebosa tecnología" (Comunicado de prensa). Boeing. 16 de octubre de 2003.
• Joe Yoon (2 de noviembre de 2003). "Puntas de ala inclinadas del Boeing 767" . Aerospaceweb.org .
• «Winglets: haciendo notar su presencia» (PDF) . Aircraft Technology Engineering & Maintenance . Abril-mayo de 2004. Archivado del original (PDF) el 8 de abril de 2016. Consultado el 1 de noviembre de 2017 .
• Doug McLean (2005). "Dispositivos en las puntas de las alas: qué hacen y cómo lo hacen" (PDF) . Conferencia de Ingeniería de Rendimiento y Operaciones de Vuelo . Boeing.
• "Beneficios de los winglets y los kits de mejora del rendimiento" (PDF) . Aircraft Commerce . N.°  109. Diciembre de 2016 - enero de 2017.