A la hora de diseñar una aeronave, de entre la multitud de decisiones respecto a la geometría de la misma que se deben tomar, destacaremos los factores que se deben tener en cuenta a la hora de seleccionar el o los perfiles aerodinámicos del ala.
Ante la problemática de buscar soluciones al rendimiento insuficiente que presentaba un UAV en servicio, se analizaron otros aviones de éxito para compararlos con este. Adaptando un programa creado por TRIM Composites para el análisis preliminar del diseño de una nueva aeronave, se ha conseguido visualizar la influencia de cada característica de la aeronave en su "performance".
Tras este análisis, hemos conseguido identifica varios posibles problemas en el diseño original. Quizás el más relevante está relacionado con la mala o ineficiente elección del perfil aerodinámico del ala en cuestión. Por ello, vamos a comentar varios aspectos importantes al respecto.
En primer lugar hay que destacar que la elección del perfil depende de las prioridades del diseño y de la misión que se pretenda llevar a cabo. Ningún perfil satisface todos los requisitos que se le pueden pedir, entre los cuales pueden encontrarse:
Alto coeficiente de sustentación máximo
Alta pendiente de la curva de sustentación frente al ángulo de ataque
Bajo coeficiente de resistencia
Alta eficiencia aerodinámica en un rango amplio de ángulos de ataque
Espesor relativo bajo o elevado
Coeficiente de momento aerodinámico negativo (y alto en valor absoluto)
A continuación comentaremos algunos de los aspectos en los que influyen las características anteriores, así como el criterio para seleccionarlas.
Para el caso analizado, dado que se buscaba conseguir mayor autonomía, queda claro que se debe volar a la velocidad más baja posible. Para ello, la velocidad de entrada en pérdida debe reducirse, siendo la que limita el vuelo. Para conseguirlo, o se reduce el peso de la aeronave o se aumenta el coeficiente de sustentación máximo del ala (y por tanto del perfil aerodinámico), manteniendo la superficie alar.
Volar con un coeficiente de sustentación cercano al máximo implica un elevado ángulo de ataque, lo que aumenta el coeficiente de resistencia. Sin embargo, para el caso de aeronaves de hélice, donde se busca maximizar la autonomía, este incremento de resistencia no es comparable al ahorro energético producido por volar a menor velocidad ya que la potencia necesaria para mantener el vuelo nivelado es proporcional al coeficiente de resistencia y a la velocidad al cubo.
En caso de querer maximizar la autonomía en una aeronave con motor turbofán interesa volar con la eficiencia aerodinámica máxima, siendo esta una característica que interesaría maximizar en el perfil.
En general, el coeficiente de momento siempre interesa que sea lo más negativo posible, ya que confiere mayor estabilidad a la aeronave ante perturbaciones como ráfagas o turbulencia.
En cuanto al espesor relativo, entran en juego multitud de factores:
Resistencia aerodinámica
Volumen interior del perfil
Peso estructural
Tipo de entrada en pérdida
Para volar en régimen subsónico alto, un espesor alto penaliza mucho la resistencia aerodinámica creada por las ondas de choque locales que se generan en el extradós del perfil. Para el caso de la gran mayoría de los UAV, este fenómeno no hay que tenerlo en cuenta.
Un mayor espesor proporciona mayor volumen en el interior del ala, lo que puede ser beneficioso o no. En caso de equipar tanques de combustible en el interior del ala puede interesar altos espesores. En cambio, para alas de UAV de tamaño pequeño/medio eléctricos (siendo el caso del problema planteado anteriormente), donde el ala se fabrica con núcleo de espuma interior revestido por material compuesto (carbono, vidrio, aramida, etc.), un espesor alto implica mayor volumen de espuma, y por tanto, mayor peso. Sin embargo, en alas "huecas" (con estructura de largueros y costillas interiores), mayor espesor se traduce en menor peso estructural total.
En cuanto a la entrada en pérdida del perfil, los gruesos suelen presentar una pérdida más progresiva, ya que la corriente se desprende progresivamente desde el borde de salida hasta el borde de ataque. En cambio, los perfiles delgados presentan una entrada en pérdida repentina, ya que el el borde de ataque se crea una burbuja de recirculación, que provoca el desprendimiento de la corriente en todo el extradós al mismo tiempo.
El último aspecto a considerar mientras se estudian las distintas posibilidades de elección es el número de Reynolds característico (densidad · longitud · velocidad / coeficiente de viscosidad dinámica). Esta relación adimensional tiene en cuenta la importancia de la fuerzas másicas respecto a las fuerzas viscosas que actúan sobre un cuerpo en un fluido. Además de esta relación, también hay que estudiar el tipo de flujo (laminar o turbulento) que se encontrará en el ala.
En alas de RPAS, de pequeña cuerda y volando a velocidades muy pequeñas (menor de 100 km/h), el número de Reynolds puede tener gran influencia en el comportamiento del perfil a entrar en pérdida antes de lo esperado.
El desprendimiento de la corriente es un fenómeno muchas veces difícil de cuantificar. El aire turbulento posee mayor energía, lo que favorece que la corriente siga adherida al perfil.
Si el flujo es laminar (de poca energía) y el número de Reynolds es muy pequeño, (las fuerzas viscosas no son despreciables), la corriente puede desprenderse prematuramente.
En el estudio realizado del perfil original, se detecto que en estas condiciones la curva de sustentación presentaba una caída a bajos ángulos de ataque. Aunque la turbulencia que crea el desprendimiento aporta energía al fluido y este se vuelve a adherir posteriormente, la caída en el coeficiente de sustentación es tan brusca que se puede interpretar como la entrada en pérdida.
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, se concluyó que cambiando el perfil por uno de menor espesor relativo (12% a 8%) y mayor coeficiente de sustentación máximo (1.2 a 1.35) se consigue aumentar la autonomía un 30%.