Aviones de ala alta frente a los de ala baja (ventajas, desventajas y diferencias clave) – Airplane Academy

Las distinciones entre los aviones de ala alta y baja son, visualmente, obvias. Los aviones de ala alta colocan el ala por encima del fuselaje, el cuerpo principal del avión, mientras que los de ala baja colocan el ala por debajo del fuselaje.

Ambas configuraciones ofrecen ventajas y desventajas y la selección de una u otra configuración es una elección hecha por los equipos de ingeniería que construyen el avión muy temprano en el proceso de diseño para satisfacer los requisitos de rendimiento requeridos para el avión. ¿Cuáles son las diferencias entre los aviones de ala alta y los de ala baja?

Cada configuración de ala es beneficiosa a su manera para el entrenamiento, el rendimiento, el mantenimiento y el uso diario. Las aeronaves de ala alta son generalmente menos aerodinámicas, ligeramente más fáciles de entrenar para el nuevo piloto y más fáciles de acceder para el mantenimiento de rutina que las aeronaves de ala baja.

Debido a que no hay una respuesta «correcta», la comparación de los diseños de ala alta con los de ala baja es fundamentalmente una expresión de equilibrio de las necesidades del piloto o del operador. Hay muchas implicaciones de elegir una aeronave de ala alta o baja, por lo que es importante pensar en todas ellas al decidir cuál es la mejor para su situación.

Aerodinámica

La configuración de la aeronave se centra inicialmente en la aerodinámica. La ubicación, el tamaño y la forma del ala, la cola y el fuselaje determinan las características fundamentales de manejo de la aeronave. En el caso de las aeronaves de ala alta y baja, las principales diferencias se producirán en los siguientes regímenes: estabilidad lateral (balanceo), características de manejo a baja velocidad y rendimiento general de la aeronave (velocidad de crucero, distancias de despegue y aterrizaje, etc.).

Como ejercicio de reflexión, considere dos diseños de aviones triciclo con el mismo peso, longitud, forma del ala, perfil aerodinámico, cola y motor, uno con el ala por encima del fuselaje y otro con el ala por debajo del fuselaje.

Características de balanceo

Primero hay que considerar la estabilidad lateral, o características de balanceo. Para el avión de ala alta, el centro de gravedad se sitúa por debajo del ala, lo que significa que el fuselaje del avión actúa como un péndulo para aumentar la estabilidad del balanceo en relación con el avión de ala baja, cuyo centro de gravedad se equilibra por encima del ala.

Para la aeronave de ala alta, habrá una tendencia relativamente menor a entrar en un descenso inestable en espiral, pero las fuerzas de los alerones serán mayores para completar una maniobra de balanceo.

Este es un efecto deseable para las aeronaves destinadas a volar en condiciones de vuelo por instrumentos durante largos períodos de tiempo con baja carga de trabajo para el piloto. Sin embargo, esta tendencia es un perjuicio para los aviones de exhibición anaeróbicos diseñados para altas tasas de balanceo y maniobras de balanceo rápido, y puede conducir a una sensación de «pesadez» en los alerones para los aviones de crucero más típicos.

Características de aterrizaje

Considere las próximas características de manejo a baja velocidad, en particular las características de aterrizaje y pérdida. Durante el aterrizaje, el avión de ala baja entrará en el efecto suelo ligeramente antes que el avión de ala alta y experimentará una mayor reducción de la resistencia para la misma altura sobre el suelo.

El efecto suelo más fuerte durante el flare hará que la aeronave de ala baja «flote» más fácilmente que la aeronave de ala alta, lo cual, es una característica que, cuando se utiliza hábilmente, ayuda a suavizar el aterrizaje. Pero este mismo efecto en el suelo puede favorecer el ballooning durante el flare, y puede hacer que los aterrizajes precisos sean más difíciles de lograr.

La aeronave de ala alta seguirá experimentando el efecto suelo, pero debido a que el ala está varios pies más lejos de la pista, el efecto total sobre la aeronave se reduce en gran medida, ya que el efecto suelo disminuye exponencialmente con la diferencia de la superficie de la pista. Por lo tanto, la aeronave de ala alta puede ser capaz de acortar las distancias de aterrizaje, ya que «atraviesa» el efecto suelo con mayor facilidad.

Características de pérdida

Las características de pérdida también son motivo de preocupación en el régimen de manejo a baja velocidad. Suponiendo que la cola horizontal de la aeronave esté montada en la parte inferior del fuselaje o cerca de ella, la turbulencia del ala de la aeronave a altos ángulos de ataque puede ser más probable que interfiera con la cola de la aeronave. Esta interferencia de la estela depende de la posición de los flaps y de una serie de otros factores de diseño; sin embargo, se pueden conjeturar dos efectos principales.

Es más probable que la aeronave de ala alta se encuentre con un fuerte efecto de estela cerca de la entrada en pérdida que disuada al piloto de seguir frenando. La interferencia del ala con la cola puede disminuir la eficacia del elevador debido al efecto de «downwash».

El efecto «downwash», en los aviones de producción, depende en gran medida de los criterios específicos de diseño, pero en última instancia este efecto reduce el ángulo de ataque en la cola horizontal, reduciendo la eficacia del elevador.

Con una mayor presión antes de la entrada en pérdida y una menor eficacia del elevador, las aeronaves de ala alta presentarán características de entrada en pérdida en el cabeceo que desalientan la entrada en pérdida y aumentan el esfuerzo del piloto para lograr la entrada en pérdida. Las aeronaves de ala baja, por el contrario, mostrarán características de entrada en pérdida en cabeceo que proporcionarán menos advertencia al piloto de la inminente entrada en pérdida.

Características de crucero

Por último, el rendimiento de la aeronave en despegue, crucero y aterrizaje puede verse afectado por la ubicación del ala. Las aeronaves de ala alta se enfrentarán a un aumento de la «resistencia al perfil» y de la «resistencia a la interferencia», que afectan especialmente al rendimiento de crucero.

La resistencia del perfil es la que resulta del simple impacto del aire con la parte delantera del avión, y la resistencia de interferencia es la que resulta de la interacción del flujo de aire con las diversas esquinas, rincones y grietas presentes en un avión.

Considere la ubicación del tren de aterrizaje en la aeronave de ejemplo de ala baja; están unidos directamente al ala con una estructura adicional mínima o carenados necesarios para crear una forma aerodinámica eficiente. En cambio, los aviones de ala alta fijan el tren de aterrizaje al ala, que es pesada y estructuralmente dudosa, o al fuselaje.

En cualquiera de las dos opciones de diseño del tren de aterrizaje, el avión de ala alta tendrá más «cosas» colgando del avión en comparación con el avión de ala baja. En caso de que el avión de ala alta también requiera un puntal para reforzar el ala, resulta obvio que el avión de ala alta crea más perfil y resistencia a la interferencia en comparación con el avión de ala baja.

El perfil de resistencia aerodinámica más bajo de la aeronave de ala baja produce un mayor rendimiento de crucero en relación con el diseño de ala alta; el resultado es una mayor velocidad aerodinámica real y un menor consumo de combustible de crucero.

Rendimiento de despegue

El rendimiento de despegue y el rendimiento de aterrizaje se enfrentan a los impactos de los problemas de efecto suelo discutidos anteriormente. Considerando en primer lugar el despegue, la aeronave de ala baja se beneficiará de un menor balanceo en el suelo y de una menor distancia a los obstáculos.

Debido a que los vórtices de punta se interrumpirán en el efecto suelo durante un poco más de tiempo, la aeronave desarrolla un poco más de sustentación y, por lo tanto, un gradiente de ascenso ligeramente más pronunciado. Este efecto suelo se traduce en distancias de aterrizaje más largas precisamente por la misma razón.

La configuración de ala baja resulta en distancias aéreas de aterrizaje más largas, donde la distancia aérea es la distancia horizontal recorrida entre 50 pies por encima de la toma de contacto hasta el punto de aterrizaje.

Aerodinámica general

Basado en el experimento mental anterior, parece que los aviones de ala baja generalmente tienen más ventajas aerodinámicas que los de ala alta. Pero es importante tener en cuenta que el ejercicio anterior no considera el efecto de una configuración de rueda de cola, ni permite el uso de diferentes perfiles aerodinámicos, formas de ala, etc.

Los aerodinamistas que diseñan aviones en el mundo real toman decisiones que afectan drásticamente a la estabilidad del avión, las características de control, las características de entrada en pérdida, el rendimiento de crucero y las distancias de despegue y aterrizaje.

Las aeronaves del mundo real generalmente sólo son comparables entre sí de forma global, en lugar de ser comparables en relación con la posición de sus alas. Por lo tanto, hay pocas conclusiones absolutas que puedan extraerse entre los aviones de producción, pero los conceptos de este experimento de pensamiento ponen de relieve algunas de las consideraciones en juego durante el proceso de diseño inicial de un nuevo avión.

Entrenamiento en vuelo

¿Son los aviones de ala alta o los de ala baja mejores para la formación inicial de los pilotos? En términos prácticos para los estudiantes pilotos no importa. Los estudiantes pilotos deberían estar más preocupados por encontrar un instructor competente, una escuela de vuelo de calidad y una aeronave bien mantenida que se ajuste a su presupuesto y a sus limitaciones de tiempo.

Como se alude en la conclusión del experimento mental anterior, las características de diseño individuales de las aeronaves específicas tienen impactos significativamente más dramáticos en las características de vuelo fundamentales de ese tipo de aeronave.

En general, hay tres cuestiones que los alumnos pilotos deben tener en cuenta al comparar las aeronaves de ala alta con las de ala baja: La entrada/salida, la visibilidad y las características de aterrizaje.

La entrada/salida en las aeronaves de ala alta frente a las de ala baja

La mayoría de las aeronaves de ala baja utilizadas en el entorno de la formación de vuelo cuentan con una única puerta en el lado derecho del fuselaje. El más común de este tipo de aviones será el de la familia Piper Cherokee.

El ingreso a la aeronave requerirá que el estudiante se deslice a través de los asientos antes de que el instructor de vuelo ingrese, si la facilidad de ingreso es importante, apretar entre los asientos y los controles de vuelo puede resultar un desafío.

Además, no hay protección contra la lluvia o el sol mientras se carga la aeronave.

En la flota mundial de formación de vuelo también existen un puñado de aeronaves de formación con capota deslizante o basculante, la serie Diamond DA40/42 y la serie Grumman American son un buen ejemplo de este tipo de sistema de entrada/salida con alas bajas. El sistema de techo móvil permite que el instructor y el alumno entren en la aeronave de forma independiente, pero se requieren algunas maniobras y un cuidadoso trabajo de pies para evitar pisotear la tapicería.

Las aeronaves de entrenamiento de ala alta más comunes son casi universalmente la familia de aeronaves Cessna 172. Estas aeronaves tienen puertas a la izquierda y a la derecha para permitir la entrada y la salida de los asientos delanteros y traseros desde el lado izquierdo o el derecho. Además, la posición del ala alta proporciona algo de sombra y protección contra el sol y la lluvia durante la carga y el prevuelo.

Visibilidad del ala alta frente al ala baja

La buena visibilidad exterior es un aspecto a menudo infravalorado en la selección de un avión de entrenamiento. Un número de maniobras de entrenamiento requieren que los pilotos estudiantes sigan visualmente un punto en el suelo y todos los pilotos deben estar constantemente buscando tráfico, particularmente cuando maniobran en áreas de entrenamiento concurridas.

Las aeronaves de ala alta ofrecen la ventaja de una excelente visibilidad hacia abajo, que es útil durante la práctica de aterrizaje y el entrenamiento de maniobras de referencia en tierra.

Por el contrario, las aeronaves de ala baja ofrecen una visibilidad hacia arriba y hacia adelante menos restringida, lo que ayuda a simplificar las exploraciones de tráfico. Los pilotos deben aprender a compensar los «puntos ciegos» inherentes a la configuración de ala alta o baja que están volando.

Características de aterrizaje para estudiantes pilotos en ala alta vs. ala baja

La diferencia más dramática para los nuevos estudiantes entre las configuraciones de aeronaves de ala alta y baja se experimentará mientras aprenden a aterrizar. Como se ha comentado anteriormente, las aeronaves de ala baja son más propensas a la flotación y al ballooning en efecto suelo durante el roundout y el flare en comparación con las aeronaves de ala alta.

Los pilotos experimentados pueden utilizar este efecto en su beneficio, pero a los estudiantes les puede resultar más difícil dominar las técnicas de aterrizaje de campo corto y de máximo rendimiento. El tiempo prolongado en la actitud de flare también puede hacer que las técnicas de aterrizaje con viento cruzado sean más difíciles de dominar, ya que la exposición adicional a vientos y velocidades del aire cambiantes requiere una mayor delicadeza en la toma de contacto.

Esta tendencia a flotar en el flare requiere un control preciso de la velocidad del aire para asegurar que la aeronave se asiente en el efecto suelo y aterrice en el punto previsto. Las aeronaves de ala alta, por el contrario, se asientan más fácilmente durante el flare de aterrizaje, pero esto conlleva el riesgo de que las aproximaciones a una velocidad aérea demasiado baja no se beneficien del «colchón» de efecto suelo para salvar un aterrizaje duro.

La aeronave de ala alta también tiene un margen adicional para utilizar el ángulo del banco durante las aproximaciones con viento cruzado para gestionar la deriva de la pista en una aproximación al aterrizaje con deslizamiento. Tanto las configuraciones de aeronaves de ala alta como las de ala baja presentan desafíos únicos, pero ninguna de ellas es intrínsecamente más fácil o más difícil de aprender a aterrizar.

Vuelo cotidiano

Quizás los aspectos más importantes de la comparación entre aeronaves de ala baja y de ala alta tienen que ver con las cuestiones de la rutina diaria. El prevuelo, el posvuelo, la carga, la descarga, el tamaño de la cabina, las instalaciones operativas, etc., son aspectos de la «vida con» un avión de ala alta o de ala baja. Cuáles de estos aspectos son positivos o negativos depende del uso principal de la aeronave, por lo que, de nuevo, no hay una respuesta correcta para todos los pilotos.

Proceso de prevuelo y posvuelo

El proceso de prevuelo y posvuelo es generalmente comparable, independientemente de dónde se monte el ala. Los pilotos comprueban que los distintos componentes de la aeronave no estén dañados, que el motor y los sistemas de combustible y aceite estén en buen estado de funcionamiento y que no haya signos evidentes de daños. La ubicación del ala complica o simplifica algunas de estas tareas.

Las diferencias más obvias en el prevuelo y el posvuelo para los aviones de ala alta y baja son: el llenado de combustible para comprobar si hay contaminantes, la inspección del tren de aterrizaje y la inspección de los flaps y los alerones.

Las aeronaves de ala alta tienen la ventaja de permitir al piloto caminar bajo el ala con relativa comodidad para acceder a los drenajes de combustible, a las bisagras y actuadores de los flaps y alerones, y al tren de aterrizaje. Las aeronaves de ala baja requieren que los pilotos se agachen e incluso se arrastren por debajo de la aeronave para examinar estos componentes.

Para algunos pilotos, la dificultad adicional para llevar a cabo estas acciones antes del vuelo significa que no se puede prestar suficiente atención al examen de la aeronave en vuelo, ya sea de forma intencionada o no.

Subida de pasajeros

Habiendo tocado el tema de la entrada y salida de las aeronaves de ala alta y baja en el entorno de la formación, vale la pena considerar el proceso de subida de pasajeros y carga de las aeronaves de ala alta y baja.

Los aviones de ala alta con puertas de carga traseras tienden a colocar la puerta cerca o incluso debajo del borde de fuga del ala; esto puede hacer que la carga voluminosa o pesada sea más difícil en comparación con un avión de ala baja donde el borde de fuga del ala no interfiere con la carga.

Buenos ejemplos de esto son el Beechcraft A36/G36 y elCessna 206. Ambas aeronaves ofrecen puertas de carga para el acceso posterior de la carga y los pasajeros, pero el Beech Bonanza de ala baja tiene la ventaja de un acceso más fácil a la carga.

Espacio de la cabina

El espacio de la cabina también puede verse afectado por la ubicación del ala. Para continuar con la comparación entre el A36/G36 Bonanza y el 206 Stationair, el Bonanza tiene un espacio más restringido para la cabeza y los hombros como resultado de la reducción del fuselaje superior, mientras que el Stationair mantiene un fuselaje superior cuadrado debido a la configuración del ala alta.

Dependiendo de la misión prevista del avión, cualquiera de las dos configuraciones puede servir igualmente bien, pero es un factor a considerar cuando se comparan los dos aviones.

Si el volumen interior bruto es crítico, las proporciones cuadradas de muchos aviones de ala alta, por ejemplo el Cessna 208B Caravan, maximizan la eficiencia volumétrica. Pero si la velocidad punta es un objetivo de diseño o de misión más valioso, las líneas estrechas y afinadas de la serie de aviones Piper M600 pueden ser más apropiadas, a pesar del reducido volumen interior.

Una vez más, la misión final de la aeronave influye en los requisitos de volumen de la cabina y, por lo tanto, se inclina a favor o en contra de una configuración de ala alta o de ala baja en función de los requisitos de la misión.

Condiciones de operación

Las condiciones de operación y las instalaciones también influyen en las ventajas y desventajas de los aviones de ala alta y baja. La condición operativa más común y tal vez reconocible que impulsa la preferencia por un ala alta es el vuelo de travesía en pistas cortas.

Parece que todos los diseños optimizados para el backcountry son aviones de ala alta que priorizan una fuerte visibilidad hacia abajo y grandes espacios libres para las hélices. Las aeronaves de ala alta también tienen la ventaja de alejar el ala de los neumáticos que pueden arrojar barro, rocas y grava en las alas de tela y la pintura.

En contraste con las ventajas de campo corto y suave de los aviones de ala alta, en el mundo de la aviación corporativa predominan los aviones de ala baja. Las ventajas estructurales de la disposición de las alas bajas sirven para maximizar el volumen de la cabina y la comodidad en los aviones de negocios.

En el caso de los aviones de negocios, numerosos sistemas de la aeronave se colocan por debajo del suelo de la cabina o fuera del recipiente de presión para maximizar el volumen disponible de la cabina. Además, la configuración del ala baja hace que los motores se sitúen en la popa del fuselaje, lo que reduce el riesgo de ingestión de objetos extraños. Todas estas consideraciones de diseño ayudan a maximizar la comodidad de los pasajeros, el objetivo final de los aviones de negocios.

Mantenimiento

Las acciones de mantenimiento normales para los aviones de ala alta y baja son, en gran medida, similares, especialmente en el ámbito de los pequeños aviones de aviación general con motor de pistón. La mayor parte de las actividades de mantenimiento se centran en el motor y en los componentes eléctricos situados delante del cortafuegos o en el panel de instrumentos. En ambos casos, la ubicación del ala tiene poca importancia. Pero cuando es necesario el mantenimiento de sistemas más importantes, puede haber diferencias prácticas entre los aviones de ala baja y los de ala alta.

Las diferencias en la dificultad de mantenimiento son, en última instancia, una función del tipo de mantenimiento que debe realizarse y del tipo de acceso que se requiere.

Las tareas de mantenimiento que requieren acceso a la parte inferior del ala serán menos difíciles y sustancialmente más fáciles en un avión de ala alta. Sin embargo, las tareas que requieren levantar la aeronave de sus ruedas resultan en un equipo sustancialmente más difícil de manejar y engorroso para el mantenimiento de la misma aeronave de ala alta.

El acceso a los sistemas del ala se realiza a menudo desde debajo del ala, por lo que las acciones de mantenimiento asociadas a esos sistemas son determinantes para la ventaja o desventaja relativa de los aviones de ala alta o baja. Del mismo modo, el tren de aterrizaje retráctil o fijo añade otra variable a la ecuación de mantenimiento que puede favorecer o desfavorecer la configuración de una aeronave de ala alta o baja.

Para los futuros propietarios u operadores, una discusión exhaustiva de las diversas consideraciones de mantenimiento específicas de un tipo de aeronave será más relevante que la ubicación del ala en sí. Si un mecánico de confianza no tiene el equipo de elevación para dar servicio al sistema de tren retráctil de los productos Cessna de ala alta, una aeronave de ala baja de igual rendimiento puede ser más atractiva como compra.

El mantenimiento es un aspecto fundamental de la propiedad y operación de una aeronave, y si la configuración de ala baja o alta es un factor determinante de la dificultad de las acciones de mantenimiento regulares para un tipo específico de aeronave, se debe considerar fuertemente la idoneidad de la aeronave para las misiones deseadas o requeridas, para que ese requisito de mantenimiento no se convierta en un desafío para la seguridad del vuelo.

¿Qué es mejor, ala alta o ala baja?

En resumen, ninguna configuración de avión es fundamentalmente mejor que la otra. Las ventajas o desventajas relativas de las aeronaves de ala alta y baja existen en relación con los requisitos del propietario o del operador, y la tarea principal para la que se utiliza la aeronave.

Esto se confirma al examinar la composición de las diversas flotas de aviones en uso en diferentes partes del mundo de la aviación.

Las compañías aéreas se han estandarizado en gran medida en aviones de ala baja con motores colocados debajo del ala; los aviones de negocios tienen casi universalmente un diseño de ala baja con turboventiladores montados en el fuselaje de popa, o turbopropulsores montados en las alas; el mundo de la aviación general es una mezcla de aviones de ala baja y alta, siendo los diseños de Cessna de ala alta instantáneamente reconocibles tan prolíficos como los productos de ala baja de cualquier otro fabricante.

En cada una de estas flotas, los dictados operativos impulsan las elecciones de diseño y las decisiones de compra, con las aerolíneas estandarizando los requisitos de infraestructura de las operaciones de las compañías aéreas y la aviación de negocios aprovechando la comodidad de los pasajeros y las ventajas de diseño de los sistemas de los aviones de ala baja, y la flota de la aviación general expresando los requisitos más individuales de cada propietario y operador.

En las zonas rurales de Alaska e Idaho predominan los Piper y Cessna de ala alta, mientras que en los FBO del sur de Florida es más probable que haya elegantes Cirrus, Mooney y Beechcraft de ala baja.

De manera similar, las principales organizaciones de formación de pilotos en los Estados Unidos reflejan la inercia organizativa a las relaciones preferidas y establecidas entre la organización de formación y los diversos fabricantesmás que las características inherentemente superiores de las alas altas o bajas.

El diseño aerodinámico y los requisitos de rendimiento de las aeronaves específicas tienen un mayor impacto en las diferencias generales entre los diseños de ala alta y baja. Los diseñadores intentan producir características específicas para cada modelo en cuanto a velocidad, manejo, carga útil, volumen interior, etc., por lo que la ubicación del ala es menos crítica que las formas aerodinámicas reales y la selección del sistema de propulsión.

Las ventajas y desventajas de los aviones de ala alta y baja existen en relación con las capacidades de rendimiento más amplias y las consideraciones prácticas pertinentes de la tarea principal del avión. Por lo tanto, las mejores características de las aeronaves de ala alta o baja son un reflejo de la misión específica de la aeronave.