Concepto de hipersustentación

En aeronáutica, aumento momentáneo de la fuerza de sustentación de las alas de un avión, que se obtiene durante el despegue y el aterrizaje por medio de dispositivos especiales.

Que son los dispositivos hipersustentadores

Un dispositivo hipersustentador es un ingenio aerodinámico diseñado para aumentar la sustentación en determinadas fases del vuelo de una aeronave. Su fin es aumentar la cuerda aerodinámica y la curvatura del perfil alar, modificando la geometría del perfil de tal modo que la velocidad de entrada en pérdida durante fases concretas del vuelo, como el aterrizaje o el despegue, se reduzca de modo significativo, permitiendo un vuelo más lento que el de crucero. El dispositivo se inactiva replegándose de uno u otro modo durante el vuelo normal de crucero. De este modo permite al avión volar a velocidades más bajas en las fases de despegue, ascenso inicial, aproximación y aterrizaje, aumentando su coeficiente de sustentación. Se utilizan también, con bajos índices de extensión, cuando por alguna razón es necesario volar a bajas velocidades.

Los más comunes son planos móviles en el perfil alar que, cuando son utilizados, modifican ciertas características de la región del ala donde se encuentran, como su curvatura o su cuerda.

Hay que tener en cuenta que colocar un dispositivo hipersustentador en un ala siempre introduce elementos mecánicos y por lo tanto, agrega peso en la misma. Por ende, son en un principio, elementos no deseables, razón por la cual al instalarlos siempre se buscan los más sencillos.

Los dispositivos hipersustentadores se pueden dividir en dos tipos principales:

• Pasivos: son dispositivos que modifican la geometría del ala, ya sea aumentando su curvatura, su superficie, o bien generando huecos para controlar el flujo.

• Activos: son dispositivos que requieren una aplicación activa de energía directamente al fluido.

 

Dispositivo pasivo

Flap

Situado en el borde de salida del ala. Incrementa el coeficiente de sustentación del ala mediante el aumento de superficie o el aumento del coeficiente de sustentación del perfil, entrando en acción en momentos adecuados, cuando se vuela a velocidades inferiores a aquellas para las cuales se ha diseñado el ala, replegándose posteriormente y quedando inactivo. Los hay también de borde de ataque. Los flaps modernos de borde de salida son estructuras muy complejas formadas por dos o tres series de cada lado, y de tres o cuatro planos sucesivos, que se van escalonando y dejando una ranura entre cada dos de ellos.

Situados en la parte interior trasera de las alas, se deflectan hacia abajo de forma simétrica (ambos a la vez), en uno o más ángulos, con lo cual cambian la curvatura del perfil del ala (más pronunciada en el extradós y menos pronunciada en el intradós), la superficie alar (en algunos tipos de flap) y el ángulo de incidencia, todo lo cual aumenta la sustentación pero también la resistencia.

Se accionan desde la cabina, bien por una palanca, por un sistema eléctrico o cualquier otro sistema, con varios grados de calaje (10º, 15º, etc.) correspondientes a distintas posiciones de la palanca o interruptor eléctrico, y no se bajan o suben en todo su calaje de una vez, sino gradualmente. En general, deflexiones de flaps de hasta unos 15º aumentan la sustentación con poca resistencia adicional, pero deflexiones mayores incrementan la resistencia en mayor proporción que la sustentación.

Hay varios tipos de flaps: sencillo, de intradós, flap zap, flap fowler, flap ranurado, flap Krueger, etc.

• Sencillo. Es el más utilizado en aviación ligera. Es una porción de la parte posterior del ala.

• De intradós. Situado en la parte inferior del ala (intradós), su efecto es menor dado que solo afecta a la curvatura del intradós.

• Zap. Similar al de intradós, al deflectarse se desplaza hacia el extremo del ala, aumentando la superficie del ala además de la curvatura.

• Fowler. Idéntico al flap zap, se desplaza totalmente hasta el extremo del ala, aumentando enormemente la curvatura y la superficie alar.

• Ranurado. Se distingue de los anteriores en que al ser deflectado deja una o más ranuras que comunican el intradós y el extradós, produciendo una gran curvatura a la vez que crea una corriente de aire que elimina la resistencia de otros tipos de flaps.

• Krueger. Como los anteriores, pero situado en el borde de ataque en vez del borde de salida.

 

Los flaps únicamente deben emplearse en las maniobras de despegue, aproximación y aterrizaje, o en cualquier otra circunstancia en la que sea necesario volar a velocidades más bajas que con el avión «limpio».

Los efectos que producen los flaps son:

• Aumento de la sustentación.

• Aumento de la resistencia.

• Algunos aumentan la superficie alar.

• Posibilidad de volar a velocidades más bajas sin entrar en pérdida.

• Se necesita menor longitud de pista en despegues y aterrizajes.

• La senda de aproximación se hace más pronunciada.

• Crean una tendencia a picar.

• En el momento de su deflexión el avión tiende a ascender y perder velocidad.

En los aviones comerciales se necesita incluir FTFs (Flap Track Fairing); son una especie de raíles sobre los que los flaps se extienden.

Slats

Situados en el borde de ataque del ala, son dispositivos móviles que crean una ranura entre el borde de ataque del ala y el resto del plano. A medida que el ángulo de ataque aumenta, el aire de alta presión situado en la zona inferior del ala trata de llegar a la parte superior del ala, dando energía de esta manera al aire en la parte superior y por tanto aumentando el máximo ángulo de ataque que el avión puede alcanzar. Es un mecanismo de soplado que aporta cantidad de movimiento a la capa límite ayudando a vencer el gradiente adverso de presiones; así se retrasa el desprendimiento de la corriente con respecto al aumento del ángulo de ataque.

Son superficies hipersustentadoras que actúan de modo similar a los flaps. Situadas en la parte anterior del ala, al deflectarse canalizan hacia el extradós una corriente de aire de alta velocidad que aumenta la sustentación permitiendo alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en pérdida. Se emplean generalmente en grandes aviones para aumentar la sustentación en operaciones a baja velocidad (aterrizajes y despegues), aunque también hay modelos de aeroplanos ligeros que disponen de ellos.

En muchos casos su despliegue y repliegue se realiza de forma automática; mientras la presión ejercida sobre ellos es suficiente los slats permanecen retraídos, pero cuando esta presión disminuye hasta un determinado nivel (cerca de la velocidad de pérdida) los slats se despliegan de forma automática. Debido al súbito incremento o disminución (según se extiendan o replieguen) de la sustentación en velocidades cercanas a la pérdida, se debe extremar la atención cuando se vuela a velocidades bajas en aviones con este tipo de dispositivo.

 

Dispositivos activos

Flap soplado

El aire sangrado del compresor y a presión pasa, gracias a una serie de conductos, a la ranura de los flaps para inyectarlo y aumentar la energía cinética del aire y generar gradientes favorables que evitan el desprendimiento de la capa límite. Los dispositivos hipersustentadores activos son mucho más eficaces que los pasivos, teniendo como contraprestación que el sangrado de aire de los motores hace que la potencia que estos generan también sean menor. Por tanto, habitualmente solo se usan realmente en aviones especialmente diseñados para despegues y aterrizajes cortos.

 

 

Rodillo de borde de ataque

Consiste en un cilindro que gira sobre su eje en sentido horario, lo que permite acelerar de forma artificial el aire que va por arriba y desacelerar el aire que pasa por intradós. Al aumentar la diferencia de velocidades da como consecuencia un importante aumento en la sustentación aportada al ala.

Otros métodos activos[editar]

• Otro método es crear una zona de baja presión mediante succionadores, en la zona que se desprende la capa límite, logrando así adherirla a la superficie del ala.

• Muy divulgados también, sobre todo en algunos tipos de avión, en zonas más susceptibles de desprenderse la capa límite, son los generadores de torbellinos, pequeñas series de placas verticales orientadas en sentidos estudiados aerodinámicamente.

• Otro método es inyectar energía al fluido mediante cavidades con membranas vibrantes que al dar energía a la capa límite (y hacerla más turbulenta) la hacen más resistente al desprendimiento.

• Otro activo es el uso de los gases de escape del motor como generador directo o indirecto de sustentación, ya sea mediante toberas vectoriales (directo) como con configuraciones de motor en el ala (indirecto); esto último se puede ver muy bien en el Antonov An-72, avión especialmente diseñado para ser usado en pistas cortas y no preparadas.

 

Spoilers

Al contrario que los anteriores, el objetivo de esta superficie es destruir la sustentación del avión. Se emplean sobre todo en reactores que desarrollan altas velocidades y sirven para posar el avión en la pista de aterrizaje (al disipar la sustentación no hay nada que lo eleve), durante el descenso para incrementar el régimen de descenso, funcionando como aerofreno facilitando el aterrizaje, ayudando a frenar en tierra y, en algunos aviones, como complemento de los alerones para el control lateral y los virajes en vuelo. También son imprescindibles en los planeadores, de donde provienen, pues con su gran sustentacion, no podrían adoptar una senda de aterrizaje sin ellos.

En los aviones comerciales, aeronaves que siempre poseen aerofrenos, existen 4 modos para este dispositivo, los cuales son configurados manualmente:

Down: los spoilers están desactivados, se configuran de esta manera para el despegue, ascenso, crucero y en la mayoría del descenso.

Flight: los spoilers se activan de tal manera que no se extienden del todo. Son usados en el descenso, generalmente para perder velocidad si el avión no logra hacerlo fácilmente. Si se activan se reconfiguran en "down" cuando la velocidad deseada sea alcanzada.

Up: su uso es poco común, al configurarlos de esta manera se extenderán completamente. Son utilizados cuando es necesario perder velocidad rápidamente.

Armed: este modo siempre es utilizado, se configura previamente al aterrizaje. Al activar este modo cuando se esté en el aire, no sucederá nada, ya que cuando este modo esté activo se extenderán completamente únicamente cuando la aeronave haya tocado y aterrizado en la pista.

 

Y para su mayor comprensión lo presento de una forma más resumida y visual

Slots

Es una ranura permanente que presenta el ala y permite que el aire del intradós pase hacia el extradós y dinamice la capa límite.  Se utiliza en aviones ultralivianos.

 

 

 

 

 

 

 

Slats

Situados en el borde de ataque del ala, son dispositivos móviles que crean una ranura entre el borde de ataque del ala y el resto del plano.

El ala con slat proporciona un incremento aproximado de 40% en la sustentación
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FLAPS

Son aletas aerodinámicas que se extienden o despliegan en el borde de salida y /o borde de ataque, durante el vuelo a baja velocidad.

 

 En vuelo normal están replegados y hacen parte del contorno aerodinámico del ala.

La longitud de la cuerda de los flaps suele ser de un 30%, de la de la cuerda aerodinámica

Los flaps incrementan la sustentación mediante dos procedimientos:

El aumento de la curvatura del ala

El aumento de la superficie alar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Flaps de borde de salida

Flap simple

Es un flap plano, de amplio empleo en la aviación general

 Flap de intradós

Se conoce también como flap partido

Su funcionamiento es similar al del flap simple, sólo que únicamente se mueve la parte inferior.

 Flap ranurado, zap

Es un flap simple que tiene una ranura entre el ala y el flap. 

La ranura permite el paso del aire de la parte inferior, para infiltrar energía a la capa límite del extradós

Flaps de Fowler

La aleta está diseñada de manera que puede extenderse hacia  atrás, bien sobre las articulaciones o a través de guías y carriles que permiten el desplazamiento.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Flap simple de borde de ataque

Es una aleta articulada en el borde del ala para aumentar la curvatura.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Flap Kruger

Es un flap que aumenta la curvatura del borde de ataque,

Aumenta también la resistencia aerodinámica. 

Actúa como un tabique que fuerza el paso del aire hacia la parte superior del ala.

 

 

 

 

 

 

 

 

Los cuffs

Son extensiones del borde de ataque, y como los flaps de borde de ataque y de salida, se utilizan para aumentar la curvatura de las alas.

A diferencia de los flaps de borde de ataque y de salida, son dispositivos aerodinámicos fijos.

 

 

 

 

 

 

 

 

Spoilers

El objetivo de esta superficie es disminuir la sustentación del avión.

Se emplean sobre todo en reactores que desarrollan altas velocidades y sirven para frenar el avión en vuelo, perder velocidad y facilitar el aterrizaje, ayudar a frenar en tierra, y en algunos aviones como complemento de los alerones para el control lateral y los virajes en vuelo. 

 

 

 

 

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¿Como calcular la hipersustentación?

 Todos aquellos que hayan leído algún post sobre a la y la generación de fuerza sustentadora no tendremos que problema en entender que la sustentación es la combinación de muchas cosas. Una de las mismas importantes es la parte que genera el ala pero no es la única. El fuselaje en sí mismo también genera sustentación. Además dependiendo de cómo sea él fuselaje la sustentación o puede llegar a ser muy grande. Cuando se calcula la sustentación se usa la siguiente fórmula:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Donde la letra s es la superficie total del ala entendiéndose como el total el hecho de que el ala y el fuselaje coincidan en algún punto como por ejemplo en la parte alta del avión. En caso del Mirage f1 o el f-15 por ejemplo la zona dorsal es parte del ala