¿Por qué los flaps pesados ​​son mejores que un ala más grande?

Cuando se retraen los flaps no hacen nada, que es el punto. El subproducto de la sustentación es la resistencia, un ala más grande creará más sustentación, pero también más resistencia. Más arrastre equivale a una velocidad de crucero más lenta, o motores más grandes para superar el arrastre junto con un mayor consumo de combustible. Los flaps permiten que los aviones naveguen más rápido al apartarse del camino.

Tus preocupaciones sobre los flaps pesados ​​están bien fundadas. Los diseñadores intentan salirse con la suya con la menor cantidad de dispositivos de gran altura que puedan permitirse. ¡Pero no menos!

Si observa la tendencia a lo largo de los años, los flaps se volvieron más complejos con cada nueva generación de aviones comerciales, desde los flaps divididos simples en la década de 1930 hasta los flaps de tres ranuras en el Boeing 747 a finales de los sesenta. Pero luego las cosas se revirtieron un poco. Ahora los flaps de doble ranura son estándar y las versiones más ligeras del mismo tipo (piense en A318 versus A321) se salen con la suya con flaps más simples .

Una razón es el volumen del tanque del ala. Para cruzar el Atlántico, la primera generación de jets necesitaba grandes tanques de ala que fueron posibles gracias a un área de ala alta . Los flaps simples de una sola ranura fueron suficientes para las velocidades de aterrizaje deseadas. Con el consumo de combustible mucho menor de los motores de derivación alta, ahora podemos permitirnos alas más pequeñas con menos cuerda, pero ahora los flaps tienen que compensar lo que se pierde en el área. Los dispositivos de gran sustentación son una parte importante del esfuerzo de desarrollo de aeronaves y se dedica mucho trabajo a reducir la complejidad de los flaps y slats. Los flaps Krüger de camber variable del 747 son geniales, pero nunca se repitieron en diseños más nuevos.

Incluso serían posibles alas más simples si la altitud de crucero fuera mayor. Pero no hay mucho beneficio de escalar por encima de la tropopausa (a excepción de los bombarderos estratégicos, pero su desarrollo cesó efectivamente hace medio siglo ), por lo que es donde se optimiza el empuje instalado. Si desea volar más alto, necesita motores más grandes y costosos , pero gana poco en eficiencia de crucero .

Y no retraer los flaps no es una opción. El área más grande significa que las ráfagas pueden potencialmente poner cargas más grandes en el ala y el área de superficie aumentada causaría más fricción. Reducir el área del ala ahorra combustible, aunque el ala se vuelve más pesada. Además, un ala muy combada sería completamente inadecuada para el vuelo transsónico.

Las aletas se han vuelto mucho más delgadas en el último medio siglo, y por buenas razones. Sí, necesita una ruta de carga complicada a través de los rieles de las aletas y hacia el ala principal, pero ahí es donde está la rigidez para transportar cargas grandes. ¡Eso no debe duplicarse para mantener baja la masa estructural! El esfuerzo por reducir la complejidad de los flaps ha llevado a flaps cada vez más delgados, y el desarrollo de perfiles aerodinámicos transsónicos con su gran camber trasero también ha permitido poner más camber en los flaps, lo que mejora su efectividad. Tenga en cuenta que el carenado de las pistas de los flaps se usa para determinar el área y ayuda a limitar el aumento de la resistencia transsónica .

• Subir a crucero quema combustible.
• Agregar arrastre adicional quema combustible.
• Agregar mecanismos retráctiles agrega peso que quema combustible.
• Más resistencia, incluso a mayores altitudes de crucero, requiere motores más grandes para la misma velocidad de crucero. Los motores más grandes queman más combustible (a pesar de los aumentos en la eficiencia de combustible de los motores modernos).
• La retracción de los dispositivos de alta elevación y alta resistencia reduce el consumo de combustible (a pesar de que agregan peso, por lo tanto, la resistencia que quema el combustible).
• Llevar el combustible necesario para llevar ese combustible adicional quema combustible (aquí varias preguntas sobre eso, los invito a mirar a ver cuánto cuesta).
• El aumento de la capacidad de combustible reduce la capacidad de pago de la carga (tanto en caja como de carga automática).

Al igual que todo lo demás en el diseño de aeronaves, existe una compensación entre la sustentación/arrastre de tiempo completo de un ala de sustentación alta frente al peso/complejidad de los dispositivos retráctiles de sustentación alta en un ala de sustentación baja.

Los diseñadores han decidido que la reducción de la carga de combustible en el ala y el peso adicional y la complejidad de los flaps y slats retráctiles para generar la sustentación necesaria para velocidades de aterrizaje y despegue seguras y sensatas y la longitud de la pista es una mejor opción que agregar sustentación y resistencia adicionales. , pero capacidad de combustible adicional, mediante el diseño de un ala de mayor sustentación.

El interrogador parece haber notado que el ala básica con los flaps retraídos proporciona una alta relación L/D (o Cl/Cd). Donde L denota sustentación, Cl denota coeficiente de sustentación, D denota arrastre, etc.

Sin duda, podemos escalar el ala básica sin aletear para proporcionar una velocidad de aterrizaje tan baja como deseemos, aunque el aterrizaje será complicado debido a la trayectoria de planeo plana. Los flaps ayudan con los aterrizajes al aumentar el coeficiente de arrastre y el coeficiente de sustentación, lo que hace que la trayectoria de planeo sea más empinada.

El principal problema con este enfoque es que para el vuelo de crucero, no solo deseamos lograr una alta relación L/D, sino que queremos lograrlo a una alta velocidad aerodinámica.. La sustentación es proporcional al coeficiente de sustentación multiplicado por la velocidad aerodinámica al cuadrado y, en vuelo de crucero, la sustentación no puede ser mayor que el peso. Si el ala es demasiado grande, se optimizará para ofrecer su máxima relación L/D a una velocidad aerodinámica mucho más baja de la que deseamos para navegar. En tal caso, a nuestra velocidad de crucero prevista, si aumentáramos el ángulo de ataque al ángulo de ataque L/D máximo, el ala estaría haciendo demasiada sustentación y cabecearía hacia arriba. inicio de un bucle. Para mantener nivelada la trayectoria de vuelo, tendríamos que ajustar un ángulo de ataque muy hacia el lado derecho de la relación L/D máxima, como se muestra en la curva polar de la relación L/D versus la velocidad aerodinámica. En otras palabras, tendríamos que recortar a un ángulo de ataque mucho más bajo que el ángulo de ataque que ofrece la relación L/D máxima. Terminaríamos con más resistencia que si el ala fuera más pequeña.

La situación es similar a la de un piloto de planeador que desea lograr un planeo plano a alta velocidad . El planeador obtiene una tasa de caída más baja y una mejor relación de planeo a esa alta velocidad cuando la carga alar es alta que cuando la carga alar es baja, porque el ala puede operar en el ángulo de ataque que produce la mejor L/D relación, en lugar de un ángulo de ataque mucho más bajo. Entonces se lleva agua de lastre.

En vuelo propulsado, las ecuaciones son un poco diferentes, y simplemente agregar peso a la aeronave nunca mejora el rendimiento de crucero de alta velocidad. Pero si el ala fue diseñada para ser lo suficientemente grande como para dar una velocidad de aterrizaje aceptablemente baja sin usar flaps, entonces reducir ese ala a un tamaño más pequeño sin duda mejoraría el rendimiento de crucero de alta velocidad. Y es por eso que vale la pena transportar el peso y el volumen interno de un complicado sistema de flaps, porque podemos hacer que el ala sea más pequeña, de modo que cuando los flaps estén retraídos, se optimice para ofrecer su máxima relación L/D a una alta velocidad aerodinámica . .

La idea central de esta respuesta sigue siendo la misma independientemente de si estamos tratando de lograr una velocidad de aterrizaje baja escalando el ala en todas las dimensiones o solo aumentando la cuerda. En general, una relación L/D de pico alta se asocia con una relación de aspecto alta y, por lo tanto, con una cuerda de ala pequeña. Sin embargo, si en un vuelo de crucero sabemos que debemos volar nuestro ala ampliada a una velocidad aerodinámica mucho más alta que su velocidad aerodinámica L/D máxima, es posible que tengamos una mejor relación L/D a esa velocidad aerodinámica alta .si hemos aumentado la escala del ala expandiendo solo la cuerda que expandiendo todas las dimensiones. Porque la curva de L/D frente a la velocidad del aire puede tener menos "picos" con la relación de aspecto más baja que con la relación de aspecto más alta. Pero la mejor solución es mantener la relación de aspecto alta y mantener el ala lo suficientemente pequeña para que realmente pueda volar a su máxima relación L/D a la velocidad de crucero prevista . Luego "aumentamos" el ala para aterrizar extendiendo los flaps.

Por supuesto, extender los flaps hace mucho más que simplemente "aumentar la escala" del ala. En extensión completa, el objetivo del diseñador es minimizar la velocidad de pérdida, por lo que la prioridad es maximizar el coeficiente de sustentación. Él o ella es libre de elegir una configuración que maximice el coeficiente de sustentación, sin preocuparse por minimizar el coeficiente de arrastre para maximizar la relación L/D. Como se indicó anteriormente, un aumento en la resistencia es realmente útil durante la aproximación final: es más fácil guiar la aeronave a la zona de toma de contacto prevista si la trayectoria de planeo sin potencia no es demasiado plana. (Y no, a pesar de la sugerencia del interrogador, no podemos eliminar la resistencia adicional creada por los flaps extendidos en vuelo de crucero simplemente "cerrando las ranuras".) Los flaps están diseñados únicamente para hacer que el coeficiente de sustentación del ala sea lo más alto posible, mientras que el perfil aerodinámico del ala limpia está diseñado para optimizar la relación de L/D o Cl/Cd. Por lo tanto, para lograr la misma baja velocidad de entrada en pérdida simplemente ampliando el ala sin aletear, ya sea a lo largo de la cuerda o en todas las dimensiones, se necesitaría un aumento mucho mayor en el área del ala que el área que realmente agregan los alerones desplegados.

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