Les ales d'un avió comercial

1.1 Introducció

Un avió comercial és un vehicle aeri destinat al transport de passatgers. L’estructura en si està composta per un cos, unes ales i diversos motors. Per dur a terme aquest estudi m’he centrat en l’anàlisi de les ales primàries ja que són els elements principals que possibiliten el vol.

1.2 Anàlisi de les ales dels avions comercials

Les ales són unes superfícies aerodinàmiques molt resistents capaces de generar una força de sustentació que proporcioni estabilitat i permetre el control del vol. Gràcies a elles i a l’impuls que generen els motors, l’avió és capaç de navegar per l’aire.

1.2.1 Funcions

A les ales, en ser el component més estudiat de l’avió, se’ls han atribuït una sèrie de millores al llarg del temps que han permès incrementar-ne les utilitats. 

1.2.1.1 Sustentar l’avió

La sustentació és la força originada sobre un cos en desplaçar-se entre un fluid perpendicular a la velocitat del corrent incident. Així doncs, quan les ales adquireixen una certa velocitat, creen una força perpendicular a la direcció del seu impuls. A la il·lustració 1.1 podem veure un esquema de les diferents forces que actuen sobre una ala.

Il·lustració 1.1 – Forces que actuen sobre un perfil alar

La sustentació es produeix gràcies a la geometria asimètrica del perfil alar, l’angle d’atac i el gruix de les ales.

El Principi de Bernoulli estableix que la circulació de l’aire pel perfil alar provoca l’aparició d’una força ascendent. Quan l’ala està en moviment l’aire que recorre l’extradós adquireix més velocitat que les partícules que avancen per l’intradós aportant una diferència de pressions que originen aquesta força.

En la il·lustració 1.2 es pot veure una simulació de fluids que he dut a terme per comprovar aquesta teoria, on es pot apreciar clarament aquesta diferència de velocitats. La zona marcada amb color vermell indica una acceleració de l’aire més gran i la zona de color blau una acceleració més baixa.

Il·lustració 1.2 – Perfil alar sotmès a una simulació de velocitat de l’aire

L’angle d’atac en l’aerodinàmica és la inclinació adquirida  de les ales respecte l’eix d’abscisses. Si l’augmentem, guanyem sustentació i si el reduïm  en perdem. Aquest angle explica perquè són possibles els vols invertits en determinats tipus d’avions. Podem veure un exemple a la il·lustració 1.3.

Il·lustració 1.3 – Angle d’atac de 8 graus d’un perfil alar

Finalment tenim el gruix de l’ala: com més gruix, més sustentació. Aquesta última característica per si sola no genera la força ascendent ja que depèn del perfil alar i l’angle d’atac. 

1.2.1.2 Permetre l’enlairament i l’aterratge

Com que la circulació de l’aire per les ales és fonamental per generar la sustentació, un avió necessita tenir un impuls equivalent a una tercera part del seu pes total per tal d’enlairar-se. En aquestes dues fases del vol els pilots estenen els flaps i els spoilers per tal d’augmentar la superfície alar aportant major control i estabilitat a l’avió. 

1.2.1.3 Estabilitzar-lo

És important mantenir estable l’avió i poder tenir maniobrabilitat durant la fase de vol. Per això controlen el seu balanceig amb l’ajuda dels alerons.

1.2.1.4 Contenir el combustible

Per tal de no alterar la posició del centre de gravetat de l’avió i mantenir la seva aerodinàmica, bona part del combustible s’emmagatzema a l’interior de les ales, en diverses seccions per qüestions de seguretat. Si en alguna part de l’ala hi ha una fuga de combustible, els compartiments que el contenen es tanquen D’aquesta manera queden aïllats dels altres, impedint que es perdi tot. També es pot conduir d’una ala a una altra quan l’avió està volant.

1.2.1.5 Aguantar els motors

En el cas en què els motors estiguin allotjats en les ales, aquestes transmeten l’impuls que generen a l’estructura completa. 

1.2.1.6 Contenir el tren d’aterratge

Permet el desplaçament de l’avió per terra, l’enlairament i l’aterratge. Un cop l’avió adquireix una determinada altura, el tren d’aterratge es plega per tal de no danyar-lo i minimitzar la resistència contra l’aire. 

1.2.1.7 Contenir els llums i la senyalització

Serveixen per indicar la posició, la direcció i l’estat de l’avió entre els pilots de les diferents aeronaus. 

1.2.1.8 Suportar el pes de les persones

En el cas d’evacuació hi ha sortides d’emergència situades sobre les ales, per això han d’estar capacitades per aguantar el pes dels passatgers.

1.2.2 Parts de l’ala

1.2.2.1 Geometria

Perfil alar: és la forma d’una secció de l’ala vista des d’un lateral. Una ala té infinits perfils alars i tots són diferents. 

Bord d’atac: és la part davantera del perfil alar que uneix l’extradós i l’intradós. Es denomina així perquè és la primera zona de contacte de l’ala amb l’aire. (1)

Radi del bord d’atac: és el radi del cercle traçat a la vora d’atac del perfil alar determinant la seva curvatura. Aquesta característica influirà de manera important en l’entrada en pèrdua de l’avió. 

Bord de fuita: és la part darrera de l’ala on es troben els dos corrents d’aire procedents de l’extradós i de l’intradós per abandonar el perfil. (vid. 2)

Intradós: és la part inferior de l’ala. (vid. 3)

Extradós: és la part superior de l’ala. (vid. 4)

Espessor: distància compresa entre l’intradós i l’extradós que varia al llarg de la corda. (vid. 5)

Espessor màxim: és la màxima distància compresa entre l’intradós i l’extradós del perfil alar.

Corda: és la màxima distància compresa entre la vora d’atac i la vora de sortida del perfil alar. (vid. 6)

Corda mitja: és la mitjana de les cordes totals de cada perfil alar, ja que tots són diferents. (vid. 11)

Línia del 25% de la corda: és la línia imaginària que s’obté si unim tots els punts del perfil alar situats a un 25% de la corda partint de la vora d’atac. (vid. 10)

Curvatura superior: és la curvatura que té l’extradós respecte la corda. (vid. 7)

Curvatura inferior: és la curvatura que té l’intradós respecte la corda. (vid. 8)

Curvatura mitja: és la mitjana de la curvatura superior i inferior. (vid. 9)

Superfície alar: és la superfície total que tenen les ales. 

Envergadura: Distància màxima entre els dos extrems de l’ala. (vid. 12)

Allargament: és el nombre resultant de la divisió entre l’envergadura i la corda mitjana de l’ala. Com més allargament hi hagi, menys resistència oposarà l’ala.

Fletxa: és l’angle d’inclinació de la línia del 25% de la corda respecte l’eix transversal de l’avió. 

Estrenyiment alar: és la relació entre l’envergadura de la corda del perfil alar de l’extrem de l’ala dividit entre l’envergadura de la corda del perfil alar més pròxim al fuselatge. O sigui, la variació de la longitud de la corda. 

La il·lustració 1.4 ens mostra les part geomètriques esmentades, relacionant la posició de cada element amb els números que corresponen a cada nom. 

Il·lustració 1.4 – Parts geomètriques de l’ala

1.2.2.2 Parts geomètriques mòbils

1.2.2.2.1 Dispositiu de punta alar

Són estructures geomètriques situades a l’extrem de l’ala amb un determinat angle d’inclinació. Aquest dispositiu redueix considerablement els vòrtexs, que són uns corrents d’aire que causen una pèrdua d’energia cinètica important de l’avió, generats per la incidència de l’extradós amb l’intradós. En conseqüència, generen un moment flector, que és la tendència de flexió de les ales. En podem veure un exemple a la il·lustració 1.5.

Il·lustració 1.5 – Dispositiu de punta alar i comparació dels efectes de l’aire amb i sense aquest dispositiu

1.2.2.2.2 Els alerons

Permeten el control del balanceig de l’avió.

Aquests dispositius es flexionen simultàniament però en sentits contraris, provocant un augment de sustentació en l’ala que tingui l’aleró en posició descendent. D’aquesta manera l’ala que té l’aleró plegat inferiorment ascendeix i l’altre descendeix provocant la inclinació de l’aeronau. 

A la il·lustració 1.6 en podem veure l’aleró dret de l’Airbus A380.

Il·lustració 1.6 – Aleró de l’ala dreta de l’Airbus A380

La intensitat del balanceig s’explica mitjançant el moment d’una força: l’aplicació de la física que estableix que com més allunyada es realitzi una força respecte d’un punt de gir, amb més intensitat es produirà aquest rodament. Per aquest motiu en algunes aeronaus hi ha els alerons externs, que s’utilitzen quan l’avió viatja a velocitats baixes, i els alerons interns, que s’utilitzen quan l’avió viatja a velocitats molt altes. 

1.2.2.2.3 Dispositius hipersustentadors

Són els encarregats de reduir la velocitat mínima que l’avió necessita per enlairar-se o aterrar. Per fer-ho, aquests dispositius realitzen diferents mètodes com augmentar la superfície alar per aportar més sustentació i per tenir una millor maniobrabilitat de l’aparell.

Entre aquests destaquen els elements passius, que modifiquen la geometria de l’ala, i els elements actius, que apliquen energia al fluid. 

a) Elements passius

Hi ha els flaps i els slats que s’usen en les maniobres de l’enlairament, en l’aproximació, en l’aterratge i en qualsevol altra circumstància en que l’avió necessiti volar a la mínima velocitat possible. 

     - Flaps

Aquests dispositius tenen un funcionament semblant al dels alerons amb la particularitat que tant els que estan situats a l’ala dreta com els de l’ala esquerra es pleguen simultàniament cap avall. 

Com es mostra a la il·lustració 1.7, es col·loquen a la part del bord de fuita de l’ala

Il·lustració 1.7 – Flaps de l’ala dreta de l’Airbus A380

               - Flap senzill

Consisteix en la flexió de la sortida d’atac de l’ala. S’utilitza en l’aviació lleugera. La il·lustració 2.8 ens mostra el seu funcionament.

Il·lustració 1.8 – Flap senzill

               - Flap d’intradós

La flexió de la punta alar és només d’una part de l’intradós, sense perjudicar a la forma de l’extradós. És menys eficient que el flap senzill. La il·lustració 2.9 ens mostra el seu funcionament.

 

Il·lustració 1.9 – Flap d’intradós

               - Flap zap

Secció d’una part de l’intradós que en comptes de flexionar-se es desplega i modifica la forma de l’intradós de la manera representada en el dibuix, que augmenta encara més la superfície de contacte amb l’aire. La il·lustració 2.10 ens mostra el seu funcionament.

Il·lustració 1.10 – Flap zap

               - Flap fowler

Segment de l’intradós que es desplega el màxim possible i en modifica la superfície, tant superior com inferior i proporciona a l’ala una major curvatura. La il·lustració 2.11 ens mostra el seu funcionament.

Il·lustració 1.11 – Flap fowler

               - Flap ranurat

És una mescla entre el flap zap i el flap fowler. Una secció de l’intradós es desplega en dos segments que es mig sobreposen i deixen un espai lliure entre ells per permetre el flux de l’aire. D’aquesta manera es redueix la pressió que exerceix el fluid sobre aquest flap, que augmenta la curvatura de l’ala i la seva superfície.

Aquests tipus de dispositius són els més usats en avions comercials i en altres aeronaus pesants degut a la seva elevada eficiència. La il·lustració 2.12 ens mostra el seu funcionament.

Il·lustració 1.12 – Flap ranurat

               - Flap krueger

Part exterior de la vora d’atac que es desplega per augmentar la superfície de l’ala. La il·lustració 1.13 ens mostra el seu funcionament. 

Il·lustració 1.13 – Flap krueger

b) Bord d’atac basculant o slats

Són uns dispositius que es despleguen per la vora d’atac deixant un espai lliure. El que es pretén en activar els slats és augmentar el coeficient de sustentació ja que les partícules de l’aire que circulin per l’espai comprès entre l’ala i l’slat acceleraran per l’extradós. D’aquesta manera es pot incrementar l’angle d’atac sense entrar en pèrdua, moment en el que ja no hi ha coeficient de sustentació.

Aquests dispositius es despleguen i pleguen automàticament a causa de la diferència de pressions. Quan la força de l’aire exercida sobre els slats és l’adequada, continuen plegats, però quan aquesta disminueix i l’avió està a punt d’entrar en pèrdua, aquests es despleguen i proporcionen la força necessària per continuar volant. La mateixa pressió els activa i desactiva. Els avions comercials els tenen incorporats ja que resulten molt eficients. A la il·lustració 1.14 podem veure un esquema gràfic d’aquests dispositius i com funcionen.

Il·lustració 1.14 – Slats de l’ala d’un avió

c) Elements actius

               - Flap bufat

Dispositiu situat en els flaps. Introdueix l’aire  que prové dels compressors dels motors en les ranures on s’expulsa aquest fluid per l’extradós a fi augmentar-ne l’eficiència. Sense ells es crearia una zona en què l’aire no entraria en contacte amb la seva superfície, creant turbulències i augmentant la resistència.

               - Succionadors de la capa límit

Dispositius que estan situats a l'extradós de l'ala. Succionen l'aire per aconseguir disminuir la pressió i aconseguir que el fluid s'adhereixi més a la seva superfície.

               - Generador de remolins

Són una sèrie de plaques que es col·loquen verticalment sobre determinades zones de la superfície de l'ala per minimitzar la perturbació de l'aire.

               - Els spoilers o deflectors aerodinàmics

Són unes plaques situades a l’extradós de les ales, entre el centre i els flaps, que es despleguen verticalment cap amunt quan l’avió aterra per tal d’anul·lar la sustentació i impedir que l’aparell es torni a enlairar. A la il·lustració 2.15 es mostra especificada la seva posició.

Il·lustració 1.15 – Spoilers de l’ala d’un avió

1.2.3 Estructura de l’ala

1.2.3.1 Costelles

Són els elements transversals de l’ala i dels llarguers. Determinen els diferents perfils alars i la seva funció és aportar forma a l’ala de manera que sigui resistent i flexible. Hi ha dos maneres diferents de construir-les segons les mides que hagin de tenir. A la il·lustració 2.17 es poden distingir clarament aquestes estructures.

Les costelles de xapa

Són unes planxes amb poc espessor. S'usen en l'aviació lleugera.

Les costelles mecanitzades

Són unes grans planxes d’alumini de vuit o més centímetres de gruix. Al ser tan gruixudes, no s’hi poden fer grans obertures, per això es rebaixa la quantitat de material en unes determinades zones sense alterar les seves característiques per alleugerir l’estructura. S’usen en els avions comercials. En la il·lustració 2.16 podem veure les costelles mecanitzades ja col·locades a l’ala.

Il·lustració 1.16 – Interior de les ales d’un avió comercial

1.2.3.2. Travessers principals

És el component estructural més important que travessa l’ala des de l’encastament, zona on aquesta s’uneix amb el fuselatge, fins al seu extrem. Són els elements que suporten les grans càrregues principals de l’ala. En els avions comercials ni solen haver-hi tres: l’anterior, el posterior i un últim situat a la zona del màxim espessor de l’ala. Entre ells hi ha els tancs del combustible. 

Estan constituïdes per aliatges d’alumini molt resistents i s’hi solen fer obertures per tal de minimitzar el seu pes. A la il·lustració 1.17 es mostra un esquema d’aquesta estructura de l’ala. 

1.2.3.3 Travessers secundaris

Reforcen l’estructura completa travessant l’ala longitudinalment com els llarguers. El seu nombre és bastant elevat i dependrà de la mida de l’ala. Permeten la unió del revestiment, la capa externa que cobreix l’ala encarregada de resistir els esforços tallants i protegir-la. Podem veure’ls a la il·lustració 1.17.

Il·lustració 1.17 – Esquema gràfic de l’estructura interior d’una ala d’avió

1.2.3.4 Caixa de l’ala

Estructura en forma de caixa resultant de la unió de les dues ales coberta pel revestiment metàl·lic de tots els llarguers. Normalment s’hi emmagatzemen els dipòsits integrals del combustible. És el conjunt més lleuger que suporta quasi tota la resistència mecànica. Un sistema d’amortiment de les forces que suporten les ales. D’aquesta manera el fuselatge no està sotmès als moments de flexió provocats per la sustentació de l’ala ja que la caixa l’absorbeix. La il·lustració 2.18 ens mostra una caixa d’avió real.

Il·lustració 1.18 – Caixa de l’ala d’un avió comercial ja incerteta en el seu cos

1.2.3.5 El piló del motor

Els pals són els suports que uneixen els motors a les ales, en el cas que estiguin allotjats en elles. És l’encarregat d’absorbir la càrrega d’impuls a la vegada que la resistència aerodinàmica que produeix el propi motor. També ha de suportar càrregues laterals, creades per l’impuls del motor, i càrregues giroscòpiques, causades per les variacions del pla de gir provocades per la rotació de les hèlixs. A la il·lustració 2.19 es poden distingir la posició d’aquests elements.

Il·lustració 1.19 – Pilons dels motors de l’ala d’un avió comercial

1.2.4 Tipus d’ales

1.2.4.1 Segons la posició

Els avions poden tenir les ales situades a tres altures diferents respecte el seu fuselatge

a) Ala baixa

Està situada a la part inferior del fuselatge i permet un fàcil accés als motors. És la que s’utilitza en els avions comercials com en el present en la il·lustració 2.20, ja que facilita l’establiment del major nombre de passatgers possible a l’avió i permet la introducció d’una part del tren d’aterratge a les ales. És la que aporta menys estabilitat a l’avió. 

Il·lustració 1.20 – Airbus A380 aterrant

b) Ala mitja

Es troba situada a una altura mitja del cos de l’avió. És la típica en els avions de combat i s’utilitza en alguns avions comercials. La il·lustració 1.21 ens en mostra un exemple. 

Il·lustració 1.21 – PIA aterrant

c) Ala alta

Està situada a la part més alta del fuselatge. S’utilitza en els avions de transport de mercaderies com en el present en la il·lustració 2.22, ja que la seva posició permet carregar i descarregar el material amb més facilitat. És la que aporta més estabilitat a l’avió.

Il·lustració 1.22 – Avió de càrrega Antonov An-225

1.2.4.2 Segons la superfície alar

Un altre factor que determinarà l’eficiència de l’ala és la seva forma.

a) Rectangular

És molt barata i fàcil de construir. La porten els avions que hagin de realitzar vols curts a baixa velocitat. La il·lustració 1.23 ens en mostra uns exemples.

Il·lustració 1.23 – Exemple d’ales rectangulars i avió Piper PA-32 Cherokee Six volant

b) Trapezoïdal

El seu perfil alar es va escurçant a mesura que s’acosta a l’extrem de l’ala. S’utilitza en avionetes i en caces supersònics. La il·lustració 1.24 ens en mostra uns exemples.

Il·lustració 1.24 – Exemple d’ales trapezoïdals i avió TECNAM P2002 volant

c) El·líptica

Té l’extrem corbat, reduint així la resistència contra l’aire. És bastant complicada de construir. La van utilitzar els caces de la Segona Guerra Mundial. La il·lustració 2.25 ens en mostra uns exemples.

Il·lustració 1.25 – Exemple d’ales el·líptiques i caca Supermarine Spitfire volant

d) Fletxa

És la més utilitzada en els avions comercials. Les ales no són perpendiculars respecte l’eix longitudinal del fuselatge. Formen un determinat angle respecte el cos de l’avió. D’aquesta manera s’aconsegueix reduir la resistència contra l’aire. 

A mesura que l’ala es va allunyant del fusellatge, el seu perfil alar es va escurçant. La il·lustració 1.26 ens en mostra uns exemples.

Il·lustració 1.26 – Exemple d’ales de fletxa i l’avió Airbus A380 volant

Dins d’aquest àmbit, també hi han les ales de fletxa invertida, que encara estan en fase experimental, les de doble fletxa i les de fletxa variable. Aquests dos últims tipus se solen usar en els avions de combat. La il·lustració 1.27 ens mostra els diferents tipus d’ales esmentades.

Il·lustració 1.27 – Ales de fletxa invertida, ales de doble fletxa i ales de fletxa variable

d) Delta

Són poc llargues i molt amples i tenen també una forma de fletxa. És l’ala més utilitzada pels caces supersònics. Hi han les ales delta, les timoneres canard, les timoneres darreres i les de doble delta. La il·lustració 1.28 ens mostra els quantra diferents tipus esmentats d’ales.

Il·lustració 1.28 – Ales delta, ales timoneres canard, ales timoneres darreres i ales de doble delta

e) Ogival

És idèntica a l’ala delta, amb la particularitat d’una lleugera curvatura al llarg de la seva vora d’atac. Un clar exemple seria el Concorde, que va ser un avió comercial supersònic. La il·lustració 1.29 ens en mostra uns exemples.

Il·lustració 1.29 – Exemple d’ales ogivals i l’avió comercial Concorde volant

1.2.6 Construcció de les ales d’un avió comercial

L’elaborat procés de construcció s’inicia amb un disseny informàtic previ de cada un dels elements que compondran les ales. Un cop finalitzat, la informació serà enviada a unes determinades màquines que els crearan. Cada ala es fabricarà i s’unirà a la caixa de l’avió.  

Les costelles són els primers elements que es fabriquen. Parteixen d’una planxa d’alumini de vuit o més centímetres de gruix. Unes màquines específiques la seccionen per donar-li la forma corresponent i li apliquen una tècnica de buidatge,  procés que pot tardar dies, aconseguint així de reduir fins al 75% del pes total de la làmina tot conservant-ne la resistència. Seguidament, per instal·lar-hi el sistema hidràulic i elèctric i acabar d’alleugerir-les, s’hi fan les obertures necessàries, mesurades amb elevada precisió. 

A continuació, cada costella es col·loca sobre un motlle i és introduïda en una premsa hidràulica que hi exercirà la pressió adequada per aconseguir que les peces s’adaptin a la forma del motlle, transformant la placa de dues dimensions en una de tridimensional. 

Llavors s’introdueixen dins uns grans forns que apliquen una temperatura determinada, totalment homogènia, per augmentar la resistència i durabilitat de les costelles, cosa que en millora les propietats. 

Finalment s’hi apliquen productes anticorrosius i són enviades a la zona on s’uniran els diversos elements que constituiran l’esquelet de les ales. 

La construcció dels travessers i els travessers menors es basa en el mateix procediment. Es tallen les peces, s’hi aplica la tècnica de buidatge, s’hi fan les obertures necessàries, se’ls dóna la forma desitjada, s’introdueixen en un forn i un cop refredades, se’ls apliquen productes químics amb la particularitat de que cada peça requereix una determinada forma i unes certes propietats com el gruix, el pes, la rigidesa, la resistència, etc.

Aquests elements s’encaixen amb reblons de manera que els travessers uneixen les costelles formant una estructura sòlida reforçada per els travessers menors. Com a resultat obtenim l’esquelet de les ales. 

A continuació es cobreix la part superior de l’estructura amb unes planxes d’alumini processades, que permet segellar l’interior de les diverses seccions que constituiran els magatzems de combustible i instal·lar-hi els sistemes hidràulics i elèctrics.  

Finalment es cobreix la part inferior de l’esquelet i cada ala s’acobla a la caixa de l’avió, que està unida al fuselatge.