¿Por qué la envergadura de las alas de cierto avión comercial no es más larga con las versiones de fuselaje más largo?

Hay dos razones principales:

• Es más fácil enchufar una sección de fuselaje que una sección de ala (en flecha hacia atrás). Si nota, una cosa que se ha mantenido constante en todos los modelos es la sección transversal del fuselaje. Básicamente, el fabricante puede hacer otra sección transversal del fuselaje y agregarla a las existentes.

  Si se añade una sección de ala, por el contrario, las características de la aeronave cambiarán apreciablemente, además de la dificultad para hacerlo. Si está agregando una sección de ala, se deben realizar muchas modificaciones adicionales (como superficies de control, etc.) que aumentarán los costos, eliminando cualquier ahorro de costos que el fabricante podría haber tenido al usar piezas comunes en todos los modelos.

• La siguiente razón, quizás más importante, desde el punto de vista de la aerolínea, es que cambiará el grupo de diseño de aeronaves. La siguiente tabla es del diseño de aeropuerto AC 150/5300-13 de la FAA (las definiciones de la OACI son más o menos las mismas):

Imagen de FAA AC 150/5300-13 Airport Design

Por ejemplo, el Boeing 737 y el Airbus A320 tienen envergaduras en el límite del grupo de diseño III (B737 tiene 117 pies 10 pulgadas mientras que el A320 tiene 117 pies 5 pulgadas con sharklets). Cualquier aumento cambiará el ADG, lo que restringirá la cantidad de aeropuertos desde los que se puede operar el avión, lo que no gustará a las aerolíneas.

Por ejemplo, cuando se aumentó la envergadura del 747-8, se cambió la categoría de la aeronave (de la categoría E a la F de la OACI, equivalente a la V a la VI) y se tuvieron que realizar estudios de compatibilidad para permitir la operación en aeropuertos donde ya existen 747-400. en la operación.

Las aerolíneas están perfectamente felices de usar diferentes procedimientos operativos o sacrificar algunas otras características (como el alcance, por ejemplo, el alcance del B737 MAX cae alrededor de 200 millas entre MAX 7 y MAX 9; los aviones rara vez operan esas distancias de todos modos) para tener el mismo avión operando en un gran número de aeropuertos y reducir la carga de mantenimiento al tener piezas comunes en todos los modelos.

Un ala es muy difícil de expandir, a diferencia de un fuselaje cuando tiene una sección media cilíndrica.

Las alas deben dimensionarse para que no se rompan cuando se cargan con las cargas de aire máximas concebibles en funcionamiento. Estos se alcanzan cuando la aeronave vuela en una fuerte corriente ascendente a alta velocidad, y los límites de velocidad se deben obedecer en tiempo racheado para asegurarse de que las alas permanezcan intactas.

Si se agrega algo de área en las puntas, se creará un gran momento de flexión (fuerza de elevación multiplicada por el brazo de palanca) para una elevación relativamente pequeña. Este momento de flexión es responsable de las tensiones en la raíz del ala y, por lo tanto, debe limitarse para que el ala no se rompa.

Para producir más sustentación, solo se modifican los flaps. Compare las dos imágenes a continuación: la superior muestra los flaps de un A319 y la inferior muestra las de un A321:

Flaps A319 en configuración de aterrizaje ( fuente de la imagen )

Flaps A321 en configuración de aproximación ( fuente de la imagen )

Mientras que el flap A319 tiene una sola ranura, el A321 usa un segundo segmento de flap con una ranura adicional para obtener un poco más de sustentación desde la misma forma en planta. También tiene un flap más profundo, por lo que la cuerda del ala aumenta ligeramente. Esto ayuda a que las velocidades de aterrizaje de ambos aviones sean similares, mientras que el peso máximo de aterrizaje del A321 es un 27,5% superior al del A319 . Para un rendimiento de despegue similar, se seleccionan motores más potentes, pero para el rendimiento de aterrizaje, el ala necesita crear más sustentación. En crucero, el ala simplemente funcionará con un coeficiente de sustentación más alto.

Solo para la serie A340-500/600 se aumentó el área del ala mediante la inserción de una sección central triangular en el perfil aerodinámico, por lo que tanto la cuerda como la envergadura se pudieron aumentar con respecto a la del A340-200/300. Esto fue posible debido a la geometría de las superficies aerodinámicas supercríticas modernas, pero es algo muy raro. Además de permitir que el ala creara más sustentación, esto expandió el volumen de combustible interno en un 50 %, por lo que el A340-500 se convirtió en el avión comercial de mayor alcance del mundo cuando se presentó en 2002. También aumentó la estructura de la raíz y su momento de flexión máximo, por lo que la envergadura del ala podría extenderse.

Comparación de versiones del A340 (trabajo propio). El azul es el A340-200, el rojo es el A340-500. Tenga en cuenta el aumento de la cuerda del ala mientras que las superficies de la cola permanecieron sin cambios.

Respuesta corta: solo necesitan desarrollar, construir y mantener un tipo de ala. Y no hay razón para no hacerlo.

Eso, sin embargo, lleva a la pregunta: ¿Cómo afecta el rendimiento?

De la fórmula para la sustentación aerodinámica vemos que generalmente hay 4 formas de aumentar la sustentación de un ala:

1. Aumenta el ángulo de ataque
2. Aumentar el área del ala
3. aumentar la velocidad
4. Aumentar la densidad del aire

Ángulo de ataque
El ángulo de ataque es lo que define el estado de nuestro avión, como entrada en pérdida, mejor crucero, etc. Por lo que podemos tomarlo como fijo para una situación dada.

Área del ala
Como sugirió, podríamos aumentar la envergadura o la profundidad del ala.

Speed
​​Lift va con la velocidad al cuadrado. Para hacer frente al peso adicional de la aeronave más grande, necesitamos aumentar la velocidad aerodinámica para una situación dada por la raíz cuadrada del factor de carga . Digamos que el avión más grande es 1,5 veces más pesado, todas las velocidades escalan con sqrt(1,5) = 1,22 . Por lo tanto, todas las velocidades características, como la velocidad de pérdida, la mejor velocidad de ascenso, la mejor velocidad de crucero, etc., se multiplican por 1,22.

Densidad del aire
Bueno, no podemos cambiar la densidad del aire. Sin embargo, podemos volar en aire más denso, es decir, más bajo. Para decirlo al revés, el avión más pesado sufre de un techo de servicio más bajo .

Conclusión
Dada la misma ala, el avión más pesado funciona peor en términos de techo de servicio, despegue y aterrizaje cortos, pero mejor cuando se trata de velocidad de crucero.

Un punto que aún no se ha mencionado:

Los pesos completamente cargados y vacíos de un avión pueden diferir mucho. Para un avión de pasajeros típico, el peso de despegue puede estar entre un 25 % y un 45 % de combustible https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_fraction

Por lo tanto, es perfectamente posible que una variante de fuselaje largo utilizada en rutas de corta distancia y una variante de fuselaje corto utilizada en rutas de larga distancia (que requieren mucho más combustible) tengan exactamente el mismo peso de despegue y, por lo tanto, carga alar.

Entonces, sí, un diseño de ala dado tiene una carga máxima permitida, pero la forma en que se puede distribuir entre % avión + % combustible + % carga útil puede variar significativamente.

Por otro lado, es cierto que debido a la estandarización, hay muchos aviones con alas sobredimensionadas. Puede ver que las alas del A380 tienen un área bastante grande en comparación con el resto del avión. Fueron diseñados con la idea de estirar el avión más tarde, pero aún no ha habido mucho interés en una versión estirada.

Con el 737-900, ¿no necesitaría una envergadura más larga que el 737-700 debido al peso extra que tendría que transportar y necesitaría más sustentación para soportar ese peso extra?

Lo haría si la envergadura del 737-700 se diseñara en los límites de diseño para el fuselaje del 737-700. Pero no lo es. En cambio, la envergadura de toda la familia está diseñada en los límites de diseño para el miembro más grande de la familia.

En otras palabras, podríamos reformular su pregunta como:

¿No son las alas del 737-900 demasiado pequeñas?

Y la respuesta es: no, ¡las alas del 737-700 son demasiado grandes!

Es correcto que se requiere más elevación para levantar el peso adicional de la variante más grande. Esto podría lograrse con un ala más grande, pero también volando más rápido o con un ángulo de ataque más alto o ambos.

El objetivo principal de introducir familias de aeronaves como el 737 radica en cubrir un gran segmento de mercado con tantas piezas de aeronaves comunes como sea posible (es decir, reducir el desarrollo y el costo de existencias y lograr ahorros a través de elementos comunes). Cambiar el ala para cada modelo anularía ese propósito, ya que el ala es una de las partes más costosas para diseñar en un avión. Además, haría que el mantenimiento y la reparación en servicio fueran más onerosos, ya que se reduciría la uniformidad de la flota.