Cómo pueden cambiar las alas de los aviones para hacerlos más eficientes

  • 29 enero 2016
Un diseño de avión Boeing Image copyright Getty
Image caption Algunos fabricantes de aviones, como Boeing, están incluso cambiando la idea tradicional del cuerpo-ala de los aviones.

Hace más de un siglo, los pioneros de la aviación repentinamente abandonaron la fabricación de tambaleantes máquinas voladoras de madera con cables que, físicamente, deformaban las alas recubiertas de tela.

Era el diseño que había puesto a los hermanos Wright en el cielo.

En su lugar, constructores como su archirrival, Glenn Curtis, idearon alerones, una superficie móvil sobre el ala que ayuda a girar al avión.

En parte el cambio se introdujo para burlar la patente de los Wright, pero también porque la constante flexión de las alas de madera podía ocasionar daños estructurales.

Desde entonces, la aviación ha estado unida a estas superficies de control con bisagras. Timones, elevadores, flaps, alerones y spoilers funcionan con ese principio, cambiando el ala o la cola para ayudar al aparato a moverse en determinada dirección.

Sin embargo, esta tradición en diseño podría ser modificada cuando los investigadores en Europa y EE.UU. comiencen a aprovechar los materiales más fuertes y elásticos del presente, y motores que cambian la forma de las alas.

Y eso marcaría un regreso a la idea de superficies de mando y control que modifican la forma aerodinámica del avión, concebida originalmente por Orville y Wilbur Wright.

Cambio de forma

Ese movimiento está impulsado por las exigencias de aumentar la eficiencia energética para enfrentar el cambio climático.

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Image caption El diseño de los hermanos Wright vuelve al tapete.

Se espera que diseños novedosos y mecanismos de "morphing" (tecnología para que los aviones cambien de forma) puedan ayudar a los aviones a consumir menos combustible, señala Piet-Christof Woelcken, ingeniero de estructuras aeronáuticas de Airbus en Bremen, Alemania.

Y Woelcken destaca que si pueden combinar algunas superficies de control –como flaps y alerones– en un solo elemento que cambie de forma, los aviones podrían también ser más livianos.

Previsto para su lanzamiento en 2020 el Boeing 777X cambiará de forma al aterrizar. Tendrá un extremo alar de 3,5 metros que se pliega verticalmente cuando el avión está estacionado o rodando en tierra.

Entre 2025 y 2030 otro cambio más profundo podría ocurrir.

Es bien sabido que Wilbur Wright estaba distraídamente doblando una caja de cartón en su tienda de bicicletas cuando notó que la deformación de la superficie se asemejaba el perfil del ala de una paloma cuando giraba en el aire.

Al hacer que el marco de madera que sostiene a las alas de un biplano se doblase en la misma forma con un sistema de cables, el planeador de los Wright de 1902 y su Flyer a motor de 1903 podían ser controlados en tres dimensiones.

Un viejo sueño

Dos proyectos de investigación buscan imitar esa torción de las alas en distintos grados.

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Image caption Muchos aviones diseñados para trabajar con portaaviones tienen alas que se doblan para ahorrar espacio.

En Europa, el Saristu, encabezado por Airbus de Tolouse, Francia, y en EE.UU. una iniciativa liderada por la firma aeroespacial Flexsys de Ann Arbor, Michigan en conjunto con la Nasa y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea estadounidense.

Coordinado por Woelcken, uno de los objetivos de Saristu es dar una respuesta a un eterno problema de la aviación: los aviones son diseñados para volar más eficientemente a mayor altura, pero debido a las exigencias del control aéreo en los congestionados cielos muchas veces no puedan mantenerse en esos puntos ideales.

Sin embargo, si los ingenieros pueden diseñar superficies de control que se adapten para modificar la configuración del ala del avión, su aerodinámica puede ser alterada para volar de forma eficiente a distintas altitudes.

"Es un viejo sueño", resalta Woelcken.

Para eso sería necesario un conjunto de superficies de control adaptables que cambien de forma sobre un ala.

Inicialmente las investigaciones se están concentrando en los flaps, los elementos largos abisagrados que se despliegan hacia afuera detrás del ala para aumentar la elevación a baja velocidad en el despegue y aterrizaje.

"Los flaps convencionales de avión son engorrosos, ruidosos y no pueden responder a cambios sutiles en las condiciones de vuelo", dice Rod Hill, un directivo de Flexys.

"El resultado es un aumento progresivo en la resistencia aerodinámica, mayor consumo de combustible y una falta de capacidad para mantener un punto ideal a medida que el perfil de vuelo cambia".

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Image caption Los flaps permiten controlar mejor el avión a baja velocidad, pero crean un problema de ruido y desperdicio de combustible.

Ya el equipo de Saristu diseñó un flap que cambia de forma para un avión imaginario del futuro con 90 asientos.

Se realizaron pruebas en un enorme túnel aerodinámico en Moscú y sus resultados fueron sorprendentemente buenos. Proyectándoles Woecken sostiene que el gasto de combustible en un vuelo normal podría reducirse en un 6,5%.

Y eso sin extender el cambio de forma al borde delantero del ala y sus extremos, lo que añadirá más ahorros.

Materiales flexibles

Si alguna vez has escuchado a un avión que vuela bajo al aproximarse al aterrizaje con un graznido como de instrumento musical desafinado, ese es el sonido de los flaps vibrando.

Una ventaja clave de crear estructuras continuas que cambien de forma es que pueden llenar los espacios de aire entre las superficies de control y el ala con el mismo polímero elástico y resistente.

No es tarea fácil y es necesario un material que mantenga la elasticidad en todas las temperaturas.

"En la fase de crucero del vuelo la temperatura es de -55C. Sin embargo, posado sobre el asfalto de Abu Dhabi las temperaturas pueden llegar a los 80C", dice Woelcken.

"Escogimos un derivado de elastómero de silicona que fue originalmente desarrollado para aplicaciones espaciales".

En EE.UU., Flexis también se concentra sobre la naturaleza fundamental del material que cubre su sistema de cambio de formas.

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Image caption Según la compañía, el Boeing 777X podría permitir un ahorro dramático de combustible.

"Nuestro material es parte de un sistema que puede crear más de 4,9 toneladas métricas de elevación y, aun así, mantener su flexibilidad", dice Hill.

"Puede soportar temperaturas de entre -54C y 82C (179F), exposición extrema a sustancias químicas y a pruebas que duran más de cinco veces el ciclo de vida útil de los aviones comerciales".

Riesgos

Controlar automáticamente estas novedosas superficies elásticas no debería ser un gran problema. Ya el Boeing 787 y el Airbus A350 de pilotaje por mandos electrónicos cambian el perfil aerodinámico con constantes ajustes durante el vuelo.

"Los flaps y los spoilers se mueven independientemente y de forma automática para optimizar el consumo de combustible. Los pilotos están ajenos a estos cambios en la cabina de vuelo", dice Richard de Crespigny, piloto de Airbus A380.

La Agencia Europea de Seguridad en la Aviación (EASA por sus siglas en inglés) ya le pidió a Woelcken y sus colegas un análisis profundo de fallos y riesgos de sus estructuras de "morphing".

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Image caption Los flaps convencionales de avión son engorrosos, ruidosos y no pueden responder a cambios sutiles en las condiciones de vuelo", dice uno de los directivos de Flexys.

Si el control se pierde hacia un lado, el otro no se debe desplegar y provocar un desequilibrio.

"Puede ser un problema concreto, especialmente si hay un fallo de motor. Necesitamos acoplar ambos lados", destaca Woelcken.

Mientras tanto, Hill considera apropiado que las ideas de los pioneros de los vuelos tripulados puedan llegar a estar de moda otra vez.

"El descubrimiento de los hermanos Wright del alabeo fue una temprana inspiración", apunta.

"Su exploración de la fabricación de madera y de telas sirvió de base para nuestro desarrollo de maneras de aprovechar la flexibilidad natural de los materiales actuales".

Que los dos mecánicos de bicicletas de Dayton, Ohio, aún tengan influencia en el diseño de aviones, más de un siglo después de su primer vuelo, es una prueba de su ingenio.

Y si, como muchos esperan, los aviones que reducen emisiones cambiando de forma llegan a surcar los aires, su asombrosa contribución al desarrollo de la aviación se reforzará aún más.

Lee la historia original en inglés en BBC Future

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