Tecnología Aeroespacial: Aerodinámica, alas y perfiles NACA

Conceptos Básicos de Aerodinámica

Tecnología Aeroespacial

Índice

1. Introducción
2. Definición de Aerodinámica.
3. Alas.
4. Perfiles
1. Perfiles NACA
5. Régimen Subsónico: Sustentación, Resistencia y Momentos Aerodinámicos
1. Efecto de la Variación del Ángulo de Ataque en los Coeficientes cı, ca, Y Cm.
1. Coeficiente de sustentación ci vs. ángulo de ataque a:
2. Coeficiente de resistencia ca vs. ángulo de ataque a:
3. Curva Polar del Perfil
4. Eficiencia Aerodinámica del Perfil.
5. Coeficiente de momento Cm VS. ángulo de ataque a:
2. Efecto de la Variación del Nº de Reynolds en los Coeficientes Cı, Ca Y Cm-
3. Efecto de la Variación del Nº de Mach en los Coeficientes c1, Cd Y Cm.
4. Contribuciones a la Resistencia aerodinámica.
1. Coeficiente de Resistencia de Fricción:
2. Coeficiente de Resistencia de Forma:
6. Entrada en Pérdida.
7. Dispositivos Hipersustentadores.
1. Dispositivos Hipersustentadores Activos:
2. Dispositivos Hipersustentadores Pasivos:
1. Dispositivos Hipersustentadores Pasivos de Borde de Ataque:
2. Dispositivos Hipersustentadores Pasivos de Borde de Salida:
8. Perfiles en Régimen Supersónico:
9. Alas de Envergadura Finita. Forma en Planta del ala
1. Alargamiento (A) (Aspect Ratio).
1. Teoría de la Línea de Sustentación de Prandtl.
2. Resistencia Inducida.
3. Resistencia Aerodinámica del Ala de Envergadura Finita en Régimen Subsónico.
2. Flecha (1).
1. Resistencia Aerodinámica del Ala de Envergadura Finita en Régimen Supersónico ..
3. Estrechamiento ()=c/c,):
4. Torsión (0).
5. Diedro (B).

Bibliografía.

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Introducción a la Aerodinámica

Cualquier cuerpo sólido inmerso en una corriente fluida se ve sometido a una serie de acciones (fuerzas y momentos) debidas a la interacción entre su superficie y las partículas fluidas en movimiento.

Así, el objetivo del presente capítulo será el de comprender cómo se producen y como se comportan las fuerzas aerodinámicas que se producen en cuerpos inmersos en corrientes de aire.

Si se considera el caso de aeronaves, pueden estudiarse por separado algunos de sus elementos constitutivos con formas geométricas particulares que determinan, en cierta forma, el comportamiento de la corriente alrededor de los mismos y, por tanto, la interacción que se produce gracias a ciertas generalizaciones de sus características predominantes.

Dado el carácter generalista de la presente asignatura su alcance se limitará al estudio del ala aislada por ser el componente más significativo de una aeronave desde el punto de vista de sus características de vuelo.

Primeramente se estudiarán los parámetros constitutivos y definitorios de las alas para estudiar posteriormente sus particularidades y el efecto que tienen sobre el comportamiento aerodinámico del ala.

Se prestará especial atención al perfil aerodinámico, por ser el parámetro más influyente, estudiando sus características tanto en régimen subsónico como en régimen supersónico para posteriormente hacerlo de forma más sucinta del resto de parámetros.

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Definición de Aerodinámica

La aerodinámica es la parte de la física y, más concretamente de la mecánica de fluidos, que estudia las fuerzas que se ejercen sobre un cuerpo sólido inmerso en una corriente de aire en movimiento.

En el capítulo anterior se ha realizado una revisión general sobre los conceptos fundamentales de la Mecánica de Fluidos, particularizando en algunos puntos para el caso en el que el fluido es el aire atmosférico, entorno en el que evolucionan las aeronaves.

Habiendo sentado los principales conceptos del comportamiento de las corrientes fluidas, en este capítulo se desarrollarán de forma que se vayan desgranando, paso a paso, los principios que fundamentan la teoría del vuelo de ingenios más pesados que el aire, excluyendo en este apartado el estudio de la aerodinámica de las aeronaves de alas rotatorias a las que, por sus características específicas, se les ha reservado un capítulo aparte.

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Alas y sus Parámetros

El elemento más significativo, desde el punto de vista aerodinámico, de los que componen una aeronave convencional y que es el responsable de sus cualidades de vuelo más importantes es el ala.

El ala puede tomar gran variedad de formas dependiendo de las actuaciones que se requieran, así no tendrá la misma configuración un ala diseñada para vuelo subsónico que una diseñada para vuelo supersónico, o un ala de un avión de combate que la de un ala de un avión de transporte, ...

0 4 A C Línea c/4 b Principales parámetros que definen la configuración geométrica de un ala:

• V Superficie alar (S): Es el área determinada por la proyección del contorno exterior del ala sobe un plano perpendicular a su plano de simetría.
• v Envergadura (b): Es la dimensión perpendicular al plano de simetría que va de punta a punta del ala y, normalmente, es considerablemente más grande que la dimensión paralela.

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• V Perfil: Es la sección transversal paralela al plano de simetría. El perfil puede variar a lo largo de la envergadura tanto en dimensión como en forma u orientación.
• V Espesor (t): Es el espesor máximo del perfil que, si el perfil varía, será diferente a lo largo de la envergadura.
• / Estrechamiento (=c/c+): Es la relación entre las dimensiones paralelas al eje de simetría de los perfiles, llamadas cuerda del perfil, correspondientes al perfil de la punta y al del plano de simetría, también llamada cuerda en la raíz o en el encastre.
• v Cuerda media (Cm): Es aquella cuerda que multiplicada por la envergadura es igual a la superficie alar. Cm=S/b.
• v Cuerda media aerodinámica (CMA): Es la cuerda que tendría un ala recta sin flecha y sin estrechamiento, esto es valor de estrechamiento 1, que produjera la misma sustentación y el mismo momento aerodinámico. Como se verá más adelante, es un valor importante en el estudio de la estabilidad longitudinal de las aeronaves.
• v Alargamiento (A): Es la relación entre la envergadura y la cuerda media b/Cm o lo que es lo mismo b2/S. Este parámetro da una idea de la esbeltez del ala en dirección perpendicular al plano de simetría.
• v Flecha (A): Es el ángulo formado entre un eje perpendicular al plano de simetría y la línea formada por los puntos situados al 25% de la cuerda de los perfiles medida a partir del borde de ataque, llamada línea del 25% de la cuerda ó c/4. La flecha puede ser progresiva o regresiva, siendo esta última la más frecuente en aviones que vuelan a velocidades elevadas cercanas a la velocidad del sonido y superiores.
• V Torsión (0): Es el ángulo formado por la cuerda del perfil del plano de simetría y la del perfil del extremo o punta de ala.
• Diedro (B): Es el ángulo formado por la línea del 25% de la cuerda y el plano horizontal. Tiene efecto beneficioso para la estabilidad lateral de la aeronave. Sus valores, para aviones convencionales, está en torno a los 5°.

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Perfiles Aerodinámicos

En alas convencionales el parámetro que más influye en sus propiedades aerodinámicas es la forma del perfil principal.

Con la intención de estudiar este efecto por separado sin la influencia del resto de parámetros se puede estudiar un ala de forma en planta rectangular, sin torsión, sin estrechamiento, sin diedro y sin flecha, de espesor constante y de gran alargamiento, de forma que en una sección perpendicular del ala pueda considerarse el movimiento del aire a su alrededor como bidimensional teniendo en cuenta únicamente la forma del perfil principal que la conforma.

Posición Espesor Maximo Extradós Línea de Curvatura Media Borde de Ataque / Intradós Borde de Salida Espesor Máximo Cuerda Radio de Curvatura del Borde de Ataque

Un perfil viene determinado por los siguientes parámetros :

• v Borde de Ataque (b.a.): El borde de ataque de un perfil es el punto más adelantado del perfil respecto de la corriente de aire incidente.
• v Borde de Salida (b.s.): El borde de salida de un perfil es el punto más retrasado del perfil respecto de la corriente de aire incidente. El borde de salida de los perfiles afilado es esencial en el proceso de creación de la sustentación, si bien por razones estructurales, en la práctica, suele tener un pequeño radio de acuerdo entre Extrados e Intradós.
• v Extrados: Es la línea curva que delimita el perfil en su parte superior uniendo el borde de ataque y el borde de salida. Junto con el intradós forman una superficie cerrada definiendo la geometría del perfil.

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• V Intradós: Es la línea curva que delimita el perfil en su parte inferior uniendo el borde de ataque y el borde de salida.
• V Cuerda (c): Es la línea recta imaginaria que une el borde de ataque con el borde de salida del perfil. Es la dimensión normalmente utilizada como longitud característica del perfil para cálculos de semejanza dinámica.
• v Ángulo de Ataque (a): Es el ángulo formado por la cuerda y la velocidad de la corriente incidente. Es un parámetro de gran importancia ya que las fuerzas aerodinámicas que se ejercen sobre el perfil dependen directamente de él.
• v Línea de Curvatura Media: Es la línea definida por los puntos equidistantes del extradós y del intradós. Esta línea está íntimamente ligada al comportamiento aerodinámico del perfil, definiendo su curvatura, que como veremos más adelante juega un papel esencial en la creación de la sustentación. Si la línea de curvatura media discurre por encima de la cuerda, la curvatura del perfil será positiva, por el contrario, si discurre por debajo la curvatura será negativa.
• V Distribución de Espesor: Define la forma geométrica del perfil, y es la función que define el espesor en función de la posición de la cuerda. El espesor máximo del perfil y su posición suele venir expresado en relación a la cuerda en forma de porcentaje. Valores típicos para el espesor máximo varían entre 3-18% de la cuerda y su posición en torno al 30% de la cuerda tomando como origen el borde de ataque.
• v Radio de Curvatura del Borde de Ataque: Es el radio de una circunferencia tangente al extradós e intradós en el borde de ataque. Define la forma geométrica del borde de ataque y, como se verá más adelante, su dimensión tiene gran importancia en el comportamiento ante la pérdida del perfil.

En la actualidad la mayoría de las empresas fabricantes de aviones disponen de códigos numéricos para el diseño de perfiles según sus necesidades. Sin embargo, antes de que se popularizase el uso de potentes ordenadores y la aerodinámica computacional, entre los años 1920 y 1960 se hicieron grandes esfuerzos por parte de los principales países involucrados en la investigación aeronáutica, para disponer de una serie de perfiles diseñados empíricamente y ensayados en túneles de viento que cubriesen prácticamente la totalidad del rango de actuaciones para su utilización en el diseño de aeronaves.

Cada uno de estos países creó agencias estatales con el cometido de investigar en el campo de las tecnologías aeroespaciales, en particular en el campo del diseño de Conceptos Básicos de Aerodinámica Universidad Alfonso X el Sabio Ricardo Atienza/Rafael Trallero. 7