¿Cómo lograron los ingenieros aumentar las relaciones de aspecto de las alas de los aviones comerciales con el tiempo?

Con el tiempo, las relaciones de aspecto de las alas de los aviones comerciales han aumentado.

Para evidencia, vea los siguientes datos:

  • 1980:

    • Boeing 747-400: 7.91,
    • Boeing 757-200: 8,0
    • Boeing 767-300: 8,0
    • Airbus A310: 8,8

  • 1990:

    • Airbus A330: 10
    • Airbus A340: 9,2
    • Boeing 777: 9,96

  • 2000:

    • Boeing 787: 11

La ventaja de un ala de relación de aspecto más alta es que aumenta las relaciones L/D al reducir la resistencia inducida y, por lo tanto, para una determinada cantidad de sustentación, un avión de pasajeros generará menos resistencia y quemará menos combustible. Sin embargo, esto se compensa con el hecho de que el ala tiene que ser más gruesa para contrarrestar los momentos de flexión aumentados de las alas más largas. Esto se come en los ahorros de combustible de reducción de arrastre.

Pero con el tiempo, parece que los ingenieros han logrado superar la compensación, haciendo que la envergadura sea más larga sin incurrir en las penalizaciones de un mayor peso. ¿Cómo han logrado hacer esto?

Dos notas:

  1. En los aviones de pasajeros más recientes (por ejemplo, el 787), existe evidencia considerable de que el cambio a estructuras de ala compuestas de carbono ha permitido que esto suceda. Sin embargo, el cambio comenzó antes de que se introdujeran las estructuras de ala compuestas, por lo que debe haber otras explicaciones.
  2. Estoy casi seguro de que el modelado de elementos finitos juega un papel, pero no estoy seguro de cómo FEM permitió el aumento de AR sin incurrir en las penalizaciones compensatorias de aumento de arrastre.
Es mucho más fácil. El volumen del ala depende de las necesidades de combustible. La relación de aspecto es solo el resultado de un volumen elegido para una envergadura dada.
Un ala más gruesa permite almacenar más combustible en las alas, lo que reduce la cantidad que debe almacenarse en el fuselaje, lo que ayuda a compensar parte de ese momento de flexión.

Respuestas (2)

En cuanto a lo que hace que las relaciones de aspecto más altas sean factibles, no hay magia aquí:

  1. Los materiales aeroespaciales han mejorado con el tiempo, en calidad y resistencia.

El carbono recibe mucha publicidad, en parte merecida y en parte no. Es solo uno de los materiales.

El límite elástico de las aleaciones de aluminio varía desde 55 MPa para las computadoras portátiles y los teléfonos hasta 650 MPa para las piezas aeroespaciales estructurales. Ambas son aleaciones comunes actualmente en uso. El acero tiene una gama aún más amplia.

Los compuestos varían en resistencia aún más ampliamente, de <100 a 3500 MPa, según la fibra, la dirección, el tejido, la resina, el relleno, la proporción de fibra y el método de curado.

Nunca es solo "aluminio" o "titanio" o "compuesto". Cada uno es una categoría muy amplia. En general, los materiales, incluidas las aleaciones, han ido mejorando constantemente; los compuestos son más prominentes en el último paso. Mucho antes del carbono, los laminados de fibra de metal han estado eliminando el peso de la piel.

  1. Mejor precisión de diseño.

Los aviones de hoy están diseñados con CAD y FEA: análisis de elementos finitos. Esto permite modelar la estructura del ala en su totalidad, hasta las partes más pequeñas, y aprender las tensiones en cada pieza específica. Luego, las piezas que están menos estresadas pueden aligerarse y las piezas que probablemente tengan puntos de falla pueden reforzarse.

Los métodos de fabricación también han mejorado, lo que permite capas más delgadas, unión adhesiva, fresado y recorte más precisos. En general, los aviones más antiguos tenían que transportar una gran cantidad de metal que no estaba tan estresado como podría haberlo estado, porque no se calculó con la precisión suficiente o no era rentable eliminarlo.

Hoy en día, es común que los fuselajes se acerquen a un pequeño porcentaje de su carga de diseño calculada durante las pruebas destructivas.

  1. Aeropuertos más grandes.

La envergadura no es solo una cuestión de consideraciones estructurales. Envergaduras más grandes han sido factibles durante mucho tiempo. El problema es que cuanto más ancho es, menos aeropuertos pueden acomodar el avión en sus puertas y más altas son sus tarifas de aterrizaje. La FAA divide las aeronaves en grupos de diseño según la envergadura, y el diseño del aeropuerto debe ajustarse a los requisitos cada vez mayores de cada grupo.

El Boeing 747 y luego el Airbus A380 han llevado a los aeropuertos a adaptarse a aviones más grandes. Luego, incluso cuando se están eliminando gradualmente, las pistas, las calles de rodaje y las puertas permanecen tal como fueron diseñadas para estas categorías "jumbo"/"superjumbo".

Esto abre espacio para aviones un poco más pequeños como el A350 o el B777X para hacer uso de estas instalaciones más amplias. Dado que estos aviones son más livianos que el 747 o el A380, no necesitan tanta cuerda para obtener la sustentación que necesitan.

  • Este es solo el aspecto técnico. Tenga en cuenta que las relaciones de aspecto más altas siempre fueron posibles, como las que se usan en los planeadores, pero siempre contribuirían con más peso al ala. Hay muchas razones por las que se deseaban relaciones de aspecto más altas: el aumento de los precios del combustible, los motores más nuevos, se anticipó un mayor estiramiento del fuselaje.
¡Gracias! ¿Sabes dónde puedo aprender más sobre el desarrollo de materiales? En segundo lugar, ¿sabe si hay un buen ejemplo de los tipos de dinámica de los que está hablando con FEA, un estudio de caso, por ejemplo, que ilustre de lo que está hablando?

Respuesta: Teniendo a su disposición motores más eficientes.

Los ingenieros tuvieron que elegir relaciones de aspecto más bajas de lo que les gustaba en el pasado. Si compara la reducción en la relación de aspecto que coincidió con el cambio a los jets, verá que siempre fueron posibles relaciones de aspecto más grandes. Solo los primeros jets hambrientos de combustible exigían un volumen de ala más grande que se lograba haciendo que la cuerda del ala fuera más grande que lo ideal. Esto ayudó a que los sistemas de aletas fueran menos complejos , pero en general la relación de aspecto se redujo por debajo de lo que hubiera sido posible con motores de pistón más eficientes.

Relación de aspecto sobre el año de introducción

Relación de aspecto sobre el año de introducción para diferentes tipos. Puntos azules = motores de pistón, puntos rojos = motores a reacción. Los modelos más recientes podrían usar motores más eficientes y podrían volver a las relaciones de aspecto más altas de la era del pistón.

El cómo de un ala de alta relación de aspecto es bastante sencillo: use perfiles aerodinámicos más gruesos en la raíz y limite el factor de carga permitido y la velocidad de vuelo en clima racheado.

¡Gracias! ¿Sería posible enviarle un correo electrónico o un DM en algún lugar para hacerle un par de preguntas de seguimiento sobre la evolución del diseño de alas a lo largo del tiempo en otras áreas?
@interested22 ¿Por qué no preguntarles aquí para que todos puedan beneficiarse?
¿Por qué aumentaron el tanque de combustible haciendo que las alas fueran más armónicas, en lugar de hacerlas más profundas?
@Vikki Si con más profundo quiere decir más grueso (como en el grosor del perfil aerodinámico): querían volar rápido para que el avión se vendiera, y las alas más gruesas significan un inicio de resistencia Mach anterior. Si quiere decir más profundo como en el aumento de la cuerda del ala: eso debería ser lo mismo.
@PeterKämpf: Y las superficies aerodinámicas supercríticas (que hacen que el arrastre de mach transónico no sea un problema) aún no se habían inventado.
Evidencia adicional de que las necesidades del tanque de combustible fueron las culpables: los jets regionales (como el Caravelle y el DC-9 en los años 50 y 60 y los CRJ y E-Jets en la actualidad) tienen alas con menos cuerdas y mayor relación de aspecto que los jets intercontinentales. , al precio de una autonomía más corta debido a la reducción de la capacidad de combustible.
@interested22 haga una nueva pregunta para cada nuevo tema. Compartir el conocimiento con la comunidad.
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