Carga alar

En aerodinámica , la carga alar es el peso total de una aeronave o animal volador dividido por el área de su ala. ^{[ 1 ] [ a ]} ​​La velocidad de pérdida , la velocidad de despegue y la velocidad de aterrizaje de una aeronave están parcialmente determinadas por su carga alar. ^{[ 2 ]}

Cuanto más rápido vuela una aeronave, mayor es el cambio en su sustentación debido a una variación en el ángulo de ataque; por lo tanto, un ala más pequeña se ve menos afectada por las ráfagas verticales . En consecuencia, las aeronaves más rápidas generalmente tienen mayores cargas alares que las más lentas para evitar una respuesta excesiva a las ráfagas verticales. ^{[ 3 ]}

Una mayor carga alar también disminuye la maniobrabilidad. Las mismas limitaciones se aplican a los organismos biológicos alados.

La carga alar es una medida útil de la velocidad de pérdida de una aeronave. Las alas generan sustentación debido al movimiento del aire a su alrededor. Las alas más grandes mueven más aire, por lo que una aeronave con una gran superficie alar en relación con su masa (es decir, baja carga alar) tendrá una menor velocidad de pérdida. Por lo tanto, una aeronave con menor carga alar podrá despegar y aterrizar a menor velocidad (o podrá despegar con mayor carga). También podrá girar a mayor velocidad.

La fuerza de sustentación L en un ala de área A , que viaja a velocidad aerodinámica real v, viene dada por donde ρ es la densidad del aire y C _L es el coeficiente de sustentación . El coeficiente de sustentación es un número adimensional que depende del perfil de la sección transversal del ala y del ángulo de ataque . ^{[ 12 ]} En vuelo estacionario, ni en ascenso ni en descenso, la fuerza de sustentación y el peso son iguales. Con L / A = Mg / A = W _S g , donde M es la masa de la aeronave, W _S = M / A la carga alar (en unidades de masa/área, es decir lb/ft ² o kg/m ² , no fuerza/área) y g la aceleración debida a la gravedad, esta ecuación da la velocidad v a través de ^{[ 13 ]} En consecuencia, las aeronaves con el mismo C _L en el despegue bajo las mismas condiciones atmosféricas tendrán velocidades de despegue proporcionales a . Así que si el área alar de una aeronave aumenta un 10% y no se cambia nada más, la velocidad de despegue disminuirá aproximadamente un 5%. Del mismo modo, si un avión diseñado para despegar a 150 mph aumenta su peso un 40 % durante su desarrollo, su velocidad de despegue aumenta a aproximadamente 177 mph. $${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L},}$$$${\displaystyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}.}$$${\displaystyle {\sqrt {W_{S}}}}$${\displaystyle 150{\sqrt {1.4}}}$

Algunas aves dependen de su fuerza muscular para ganar velocidad al despegar sobre tierra o agua. Las aves que anidan en tierra y las acuáticas deben correr o remar a su velocidad de despegue antes de poder alzar el vuelo. Lo mismo ocurre con un piloto de ala delta , aunque este puede beneficiarse de una carrera cuesta abajo. Para todas ellas, una baja _carga alar es fundamental, mientras que los paseriformes y las aves que habitan en acantilados pueden alzar el vuelo con cargas alar más elevadas.

Para girar, una aeronave debe inclinarse en la dirección del giro, aumentando su ángulo de alabeo . El vuelo en giro reduce la sustentación del ala frente a la gravedad y, por lo tanto, provoca un descenso. Para compensar, la fuerza de sustentación debe incrementarse aumentando el ángulo de ataque mediante la deflexión hacia arriba del elevador , lo que aumenta la resistencia aerodinámica. El giro puede describirse como "ascender en círculo" (la sustentación del ala se desvía para girar la aeronave), por lo que el aumento del ángulo de ataque del ala genera aún más resistencia aerodinámica. Cuanto más cerrado sea el radio de giro intentado, mayor será la resistencia aerodinámica inducida; esto requiere que se añada potencia (empuje) para superarla. La velocidad máxima de giro posible para un diseño de aeronave dado está limitada por el tamaño de sus alas y la potencia disponible del motor: el giro máximo que la aeronave puede alcanzar y mantener es su rendimiento de giro sostenido . A medida que aumenta el ángulo de alabeo, también lo hace la fuerza G aplicada a la aeronave, lo que tiene el efecto de aumentar la carga alar y también la velocidad de pérdida . Este efecto también se experimenta durante las maniobras de cabeceo nivelado . ^{[ 14 ]}

Como la entrada en pérdida se debe a la carga alar y al coeficiente de sustentación máximo a una altitud y velocidad determinadas, esto limita el radio de giro debido al factor de carga máximo . A Mach 0,85 y un coeficiente de sustentación de 0,7, una carga alar de 50 lb/pie² (240 kg/m² ⁾ puede alcanzar un límite estructural de 7,33 g hasta los 15 000 pies (4600 m) y luego disminuye a 2,3 g a los 40 000 pies (12 000 m). Con una carga alar de 100 lb/pie² (490 kg/m² ⁾ , el factor de carga es la mitad y apenas alcanza 1 g a los 40 000 pies (12 000 m). ^{[ 15 ]}

Las aeronaves con baja carga alar tienden a tener un rendimiento superior en giros sostenidos porque pueden generar más sustentación para una cantidad dada de empuje del motor. El ángulo de alabeo inmediato que una aeronave puede alcanzar antes de que la resistencia aerodinámica reduzca seriamente la velocidad se conoce como su rendimiento de giro instantáneo . Una aeronave con un ala pequeña y muy cargada puede tener un rendimiento de giro instantáneo superior, pero un rendimiento de giro sostenido deficiente: reacciona rápidamente a las órdenes de control, pero su capacidad para mantener un giro cerrado es limitada. Un ejemplo clásico es el F-104 Starfighter , que tiene un ala muy pequeña y una alta carga alar de 723 kg/m² ⁽ 148 lb/pie²).

En el extremo opuesto del espectro se encontraba el gran Convair B-36 : sus grandes alas resultaban en una baja carga alar de 269 kg/m² ⁽ 55 lb/pie²), lo que le permitía realizar giros más cerrados a gran altitud que los cazas a reacción contemporáneos, mientras que el Hawker Hunter, ligeramente posterior , tenía una carga alar similar de 344 kg/m² ⁽ 70 lb/pie²). El prototipo del avión de pasajeros Boeing 367-80 podía realizar giros a baja altitud con una carga alar de 387 kg/m² ⁽ 79 lb/pie²) a su peso máximo.

Como cualquier cuerpo en movimiento circular , una aeronave que es lo suficientemente rápida y fuerte como para mantener el vuelo nivelado a velocidad v en un círculo de radio R acelera hacia el centro en . Esta aceleración es causada por la componente horizontal hacia adentro de la sustentación, , donde es el ángulo de alabeo. Entonces, de la segunda ley de Newton , Despejando R se obtiene Cuanto menor sea la carga alar, más cerrado será el giro. ${\displaystyle v^{2}/R}$${\displaystyle Lsin\theta }$${\displaystyle \theta }$$${\displaystyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$$$${\displaystyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$$

Los planeadores diseñados para aprovechar las corrientes térmicas necesitan un radio de giro pequeño para mantenerse dentro de la columna de aire ascendente, y lo mismo ocurre con las aves planeadoras. Otras aves, por ejemplo, las que cazan insectos en pleno vuelo, también necesitan una gran maniobrabilidad. Todas ellas requieren una baja carga alar.

La carga alar también afecta la respuesta a las ráfagas , el grado en que la aeronave se ve afectada por la turbulencia y las variaciones en la densidad del aire. Un ala pequeña tiene menos área sobre la que una ráfaga puede actuar, lo que contribuye a suavizar el vuelo. Para vuelos a baja altitud y alta velocidad (como un bombardeo rápido a baja altitud en un avión de ataque ), es preferible un ala pequeña, delgada y con alta carga: las aeronaves con baja carga alar suelen estar sujetas a un vuelo turbulento y duro en este régimen de vuelo. El F-15E Strike Eagle tiene una carga alar de 650 kg/m² ⁽ 130 lb/pie²) (excluyendo las contribuciones del fuselaje al área efectiva), mientras que la mayoría de las aeronaves de ala delta (como el Dassault Mirage III , para el cual W _S = 387 kg/m² ⁾ tienden a tener alas grandes y bajas cargas alares.

Cuantitativamente, si una ráfaga produce una presión ascendente de G (en N/m ² , por ejemplo) sobre una aeronave de masa M , la aceleración ascendente a , según la segunda ley de Newton , vendrá dada por una magnitud que disminuye con la carga alar. $${\displaystyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}},}$$

Otra complicación relacionada con la carga alar es la dificultad de modificar sustancialmente la superficie alar de un diseño de aeronave existente (aunque son posibles mejoras modestas). A medida que se desarrollan las aeronaves, estas tienden a experimentar un aumento de peso , es decir, la incorporación de equipos y características que incrementan considerablemente su masa operativa. Una aeronave cuya carga alar es moderada en su diseño original puede terminar con una carga alar muy elevada al añadirle nuevos equipos. Si bien los motores pueden reemplazarse o mejorarse para obtener mayor empuje, los efectos sobre el rendimiento en giros y despegue derivados de una mayor carga alar no son tan fáciles de compensar.

Los planeadores modernos suelen utilizar lastre de agua en las alas para aumentar la carga alar cuando las condiciones de vuelo son favorables. Al aumentar la carga alar, se puede incrementar la velocidad media alcanzada en vuelo de travesía para aprovechar las térmicas fuertes. Con una mayor carga alar, se logra una determinada relación sustentación-resistencia a mayor velocidad que con una menor carga alar, lo que permite una mayor velocidad media en vuelo de travesía. El lastre se puede expulsar al exterior cuando las condiciones empeoran o antes del aterrizaje.

Un diseño integrado de ala y fuselaje, como el que se encuentra en el General Dynamics F-16 Fighting Falcon o el Mikoyan MiG-29 Fulcrum, ayuda a reducir la carga alar; en este diseño, el fuselaje genera sustentación aerodinámica, mejorando así la carga alar a la vez que se mantiene un alto rendimiento.

Aviones como el Grumman F-14 Tomcat y el Panavia Tornado emplean alas de geometría variable . A medida que varía su superficie alar en vuelo, también lo hace la carga alar (aunque este no es el único beneficio). Cuando el ala está en la posición delantera, el rendimiento en el despegue y el aterrizaje mejora considerablemente. ^{[ 16 ]}

Al igual que todos los flaps de aeronaves, los flaps Fowler aumentan la curvatura y, por lo tanto, el valor máximo del coeficiente de sustentación ( C _Lmax ), lo que reduce la velocidad de aterrizaje. También aumentan la superficie alar, disminuyendo la carga alar, lo que reduce aún más la velocidad de aterrizaje. ^{[ 17 ]}

Los dispositivos de alta sustentación, como ciertos flaps, permiten utilizar alas más pequeñas en un diseño para lograr velocidades de aterrizaje similares a las de un diseño alternativo con un ala más grande sin un dispositivo de alta sustentación. Estas opciones permiten una mayor carga alar en un diseño. Esto puede resultar en características beneficiosas, como mayores velocidades de crucero o una reducción de las turbulencias en vuelos a baja altitud y alta velocidad (esta última característica es muy importante para las funciones de las aeronaves de apoyo aéreo cercano). Por ejemplo, el Starfighter de Lockheed utiliza flaps soplados internos para lograr un diseño de alta carga alar (723 kg/m² ⁾ , lo que le permite un vuelo a baja altitud mucho más suave a máxima potencia en comparación con diseños delta de baja carga alar como el Mirage 2000 o el Mirage III (387 m² ⁾ . El F-16, que tiene una carga alar relativamente alta de 689 m², ^utiliza extensiones en el borde de ataque para aumentar la sustentación del ala a altos ángulos de ataque.

• Carga del disco
• coeficiente de sustentación
• Deformación de las alas

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Rendimiento y diseño de aeronaves . Cambridge: WCB/McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Spick, Mike (1986). Rendimiento de los aviones de combate a reacción: de Corea a Vietnam . Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1.

• Laurence K. Loftin Jr. (1985). «Capítulo 7: Tendencias de diseño: velocidad de pérdida, carga alar y coeficiente de sustentación máximo». En busca del rendimiento: la evolución de las aeronaves modernas . Rama de Información Científica y Técnica de la NASA.
• Earl L. Poole (1938). "Pesos y áreas de las alas en aves de América del Norte" (PDF) . El alca .