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Máster deEnsayos en Vuelo
(ETSIA-UPM)
ETSIA-UPM29.04.08
F1 MecF1 Mecáánica del Vuelonica del VueloF1.1 IntroducciF1.1 Introduccióón a la Mecn a la Mecáánica del Vuelonica del Vuelo
Miguel Miguel ÁÁngel Gngel Góómez Tiernomez TiernoDVA/ETSIADVA/ETSIA
Madrid, 7 octubre 2008Madrid, 7 octubre 2008
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F1 Mecánica del VueloF1.1 Introducción a la Mecánica del Vuelo
ÍNDICE
Definición de la Mecánica del Vuelo
Áreas de la Mecánica del Vuelo
Actuaciones
Estabilidad y Controlabilidad
Cualidades de Vuelo
Flight Control Systems (FCS)
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F1 Mecánica del VueloF1.1 Introducción a la Mecánica del Vuelo
“Ciencia Aplicada que se ocupa delmovimiento de los vehículos voladores”:
Vuelo: “Desplazamiento de un vehículo a travésde un medio fluido o el vacío”
Vehículo: “Cualquier objeto artificial formadopor un conjunto de sistemas deformables,ligados entre sí de alguna forma”
DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
¿ Por qué se engloban bajo la definición de Mecánica del Vuelolos “vuelos” de “vehículos” tan diversos ?
Porque todos tienen como denominadores comunes:
Métodos de control en tres ejes(deflexión superficies de mando, motores cohete...)
Campos de fuerzas:
Intensos (gravitatorio + fluidodinámicoo fluidoestático)
Débiles (presión radiación solar, otros)
Ausencia de ligaduras cinemáticas
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
(Ingeniería Naval)
Mecánica (del Vuelo)Orbital
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
Mecánica del Vuelo Atmosférico
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
Mecánica del Vuelo Orbital + Atmosférico
Trayectorias de ascenso
Reentrada
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
Restricción en la definición de la Mecánica del Vuelo:
“Ciencia Aplicada que se ocupa delvuelo (atmosférico) de los aviones”
Wilbur and Orville Wright (1896-1912)
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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
Restricción en la definición de la Mecánica del Vuelo:
“Ciencia Aplicada que se ocupa delvuelo (atmosférico) de los aviones”
AA--340340 EFAEFA
CASA 212CASA 212MooneyMooney
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ÁREAS DE LA MECÁNICA DEL VUELO
Grandes
centro de gravedad (cdg)según la trayectoria
rotaciones como sólido rígidoalrededor del cdg
ACTUACIONES
ESTABILIDADY CONTROL
xx
yy
zz
cdgcdgTrayectoriaTrayectoria
Pequeños (deformaciones elásticas estructura, ( Aeroelasticidad )subsistemas articulados y giratorios, etc.)
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ÁREAS DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)
PROBLEMAS DE ACTUACIONESRelacionados con las especificaciones del avión impuestaspor el cliente
De punto: problemas locales de la trayectoriaIntegrales: problemas globales de la trayectoria
PROBLEMAS DE ESTABILIDAD Y CONTROLRelacionados con las llamadas Cualidades de Vuelo
EstáticosDinámicos
PROBLEMAS DE AEROELASTICIDAD
Estáticos: divergencia torsional, inversión de mando...Dinámicos: flameo o flutter
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ACTUACIONESActuaciones de punto
B-747
L
T
W
D
“...conseguir que una superficie sustente un peso dado mediante laaplicación de potencia contra la resistencia del aire.”
George Cayley (1773-1857)
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B-747
Vuelo horizontal rectilVuelo horizontal rectilííneoneo
Velocidades de vueloVelocidades máx. y mín.Techo
...
G-102
Subidas, descensos y planeosSubidas, descensos y planeos
Ángulos de subidasVelocidades ascensionalesDistancias recorridas
...
A-10
Virajes horizontalesVirajes horizontales(sostenidos e instant(sostenidos e instantááneos)neos)
Factor de cargaVelocidad angularRadio de viraje
...
ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones de punto (Cont.)
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Otras trayectorias
Vuelos acrobáticosVuelos parabólicos
...
Extra 260
Pitts
ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones de punto (Cont.)
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Vuelo de crucero (horizontal rectilíneo)
Alcance y radio de acciónAutonomía
...
x = 10915 x = 10915 kmkm (Londres(Londres--Singapur)Singapur)t = 12t = 12hh1313mm
MTOW = 548 TmMTOW = 548 Tm
ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones integrales
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Velocidades característicasDistancias recorridasTiempos empleados
...
B-747
STS-95
ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones en despegue y aterrizaje
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD
Mandos de vuelo primarios en un avión convencional
Definiciones
Mooney
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)
xxbb
yybb
zzbb
cdgcdg
MMAA
NNAA
LLAA
MOMENTOS AERODINÁMICOS
de balance: LLAA
de cabeceo: MMAA
de guiñada: NNAA
Mandos de vuelo primarios de un avión convencional
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xxbb
yybb
zzbb
cdgcdg
δδee
δδrr
δδaa
δδaa
DEFLEXIONES SUPERFICIES DE MANDODEFLEXIONES SUPERFICIES DE MANDO
Alerones:Alerones: δδaa LLAA
TimTimóón de profundidad:n de profundidad: δδee −−MMAA
TimTimóón de direccin de direccióón:n: δδrr NNAA
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)
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ACCIONES EN CABINA
B-727
F-18
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)
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Mando longitudinal(cuernos hacia delante, timón hacia abajo)
ACCIONES EN CABINA (Cont.)
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)
−− FFss
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ACCIONES EN CABINA (Cont.)
Mando lateralMando lateral(cuernos hacia derecha, aler(cuernos hacia derecha, aleróón izq. baja y alern izq. baja y aleróón n dchodcho. sube). sube)
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)
FFaa
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Mando direccionalMando direccional(pedal (pedal dchodcho. adelante y pedal izq. atr. adelante y pedal izq. atráás, tims, timóón derecha)n derecha)
Trim-Tab
TrimActuator
BoosterActuator
Rudder TravelActuator
Autotrim and Rudder TravelControl Unit
(ARTCU)
ACCIONES EN CABINA (Cont.)
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)
FFrr
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Estabilidad estática:
Generación de fuerzas y momentos que vayan directamentecontra las perturbaciones
M = 0M = 0M < 0M < 0→→ ESTABLEESTABLE
M > 0M > 0→→ ININESTABLEESTABLE
→→ INDIFERENTEINDIFERENTEM = 0M = 0
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)
Control estático:
Relación entre las variables de vuelo y las deflexiones de lassuperficies de control
M = 0M = 0 M = 0M = 0
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)
Estabilidad dinámica:
Evolución con el tiempo de las variables de perturbacióna partir de un vuelo de referencia estacionario
ESTABLEESTABLE
ExponencialmenteExponencialmente OscilatoriamenteOscilatoriamente
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)
Estabilidad dinámica (Cont.):
INESTABLEINESTABLE
ExponencialmenteExponencialmente OscilatoriamenteOscilatoriamente
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)
- Modos longitudinales:
FugoideCorto periodo
- Modos lateral-direccionales:
Convergencia en balanceEspiralBalanceo holandés
Estabilidad dinámica (Cont.):
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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)
Control dinámico:
Relación entre un movimiento cualquiera del avión y lasdeflexiones de las superficies de control en función del tiempo
δδee(t)(t)
θθ(t)(t)
θθ
tt
δδee
tt
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CUALIDADES DE VUELO
Conjunto de características del avión que determinanla opinión del piloto sobre:
la facilidad para controlar el avión y
llevar a cabo la misión pretendida.
Estas características son, fundamentalmente, las estudiadas en la
ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD DINÁMICAS.
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Las Normas imponen rangos de valores a distintas característicasde Estabilidad y Controlabilidad dinámicas para otorgar lacorrespondiente Certificación.
Estos valores dependen de:
tipo de avión (Clase),
fase de vuelo (Categoría) y
nivel de aceptabilidad (Nivel).
CUALIDADES DE VUELO (Cont.)
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Tipo de avión
AA--340340 EFAEFA
CASA 212CASA 212MooneyMooney
CLASE ICLASE I CLASE IICLASE II
CLASE IIICLASE III CLASE IVCLASE IV
CUALIDADES DE VUELO (Cont.)
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Fase de vuelo
CATEGORCATEGORÍÍA AA A CATEGORCATEGORÍÍA BA B
CATEGORCATEGORÍÍA CA C
CUALIDADES DE VUELO (Cont.)
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Niveles de aceptabilidad y Escala de Cooper-Harper
Para la utilización de esta escala es necesario definir cuatro términos básicos: - INCONTROLABLE: El piloto puede perder el control del aparato y, por
supuesto, la tarea no es realizable. Las mejoras son indispensables.
- INACEPTABLE: El avión puede controlarse, pero la tarea no puede
realizarse. Las mejoras son necesarias. - INSATISFACTORIO: La tarea puede realizarse, pero los defectos
descubiertos justifican una mejora (este término debe precederse de la expresión “aceptable pero…debe mejorarse”).
- SATISFACTORIO: Las características del avión son lo suficientemente
buenas para permitir el cumplimiento de la tarea sinmejoras
CUALIDADES DE VUELO (Cont.)
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CUALIDADES DE VUELO (Cont.)Niveles de aceptabilidad y Escala de Cooper-Harper (Cont.)
IncontrolableIncontrolable
InaceptableInaceptable
InsatisfactorioInsatisfactorio
NIVELNIVEL
11
22
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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS)
Los modos dinámicos pueden clasificarse en dos categorías:
1.- “Rápidos” (tiempos característicos bajos);Relacionados con los tres grados de libertad rotacionales:
- Corto periodo- Convergencia en balance- Balanceo holandés
2.- “Lentos”;Relacionados con cambios en la trayectoria:
- Fugoide- Espiral
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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)
Es imprescindible que los modos rápidos esténadecuadamente amortiguados
A veces interesa establecer y mantener condiciones de vuelo
Sistemas de Aumento de Estabilidad (SAS)- Pitch Stabilization System- Yaw Damper- ...
Autopilotos (AP)- De actitud (θ, φ)- De altitud- De senda de planeo- ...
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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)Diagrama de bloques (SAS y AP)
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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)Autopiloto lateral (de actitud en φ)
Sperry “gyro-stabilizer” (1914), montado en un hidroavión Curtiss F