Aerodinámica ii

APRENDIZAJES ESPERADOS. Al término de la Unidad, el Cadete estará en condiciones de:

A. Identificar los distintos tipos de aeronaves según su propósito y estructura.

B. Reconocer las partes fundamentales de un avión y de un helicóptero.

C. Definir los conceptos estructurales y aerodinámicos de una aeronave.

Contenidos mínimos:

A.- Clasificación de las Aeronaves según tipo y cantidad de motores , tipo y cantidad de alas y tipo de flujo.

B.- Descripción de un avión y de un helicóptero. Describir las partes fundamentales de una aeronave:

1.- Fuselaje

2.- Alas

3.- Superficies móviles

4.- Superficies hipersustentadoras

C.- Conceptos estructurales y aerodinámicos de una aeronave

1.- Ángulo de Incidencia

2.- Ángulo de Ataque.

3.- Ángulo de Diedro

4.- Ángulo de Flecha (Progresiva y Regresiva)

UNIDADES DE APRENDIZAJE

Clasificación de las Aeronaves según tipo y cantidad de motores, tipo y cantidad de alas

y tipo de flujo.

• Una aeronave es cualquier vehículo capaz de navegar por el aire o en general, por la atmósfera de un planeta. Según la OACI, aeronave es «toda máquina que puede desplazarse en la atmósfera por reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra».

Tipos de AeronavesExisten dos tipos de aeronave:

1. Los aerostatos, son aparatos más livianos que el aire, fueron los primeros en ser desarrollados, ya que su principio de elevación los hacía mucho más asequibles al nivel científico y tecnológico de la época y se caracterizan por contener un fluido gaseoso de menor densidad que el aire. En este grupo se encuentran los dirigibles y globos aerostáticos.

2. Los aerodinos son aeronaves más pesadas que el aire, y son capaces de generar sustentación.

3. Vehículo aéreo no tripulado (UAV).

La sustentación puede ser generada por alas fijas (aeronaves de alas fijas) o rotatorias (aeronaves de alas rotatorias).

Los AeroestatosSe clasifican en globos aerostáticos y

dirigibles.1.Un globo aerostático es una aeronave aerostática no propulsada. Los hermanos Joseph y Jacques Montgolfier realizaron la primera demostración pública de este invento el 04 de junio de 1783.

2.Un dirigible es un aerostato autopropulsado y con capacidad de maniobra para ser manejado como una aeronave. La sustentación aerostática se logra mediante depósitos llenos de un gas de menor densidad a la atmósfera circundante. El desarrollo de los dirigibles se inició a partir de los globos aerostáticos. En 1784 Jean Pierre Blanchard agregó un propulsor manual a un globo aerostático, en lo que constituye el primer registro documentado de un vuelo propulsado

Los AerodinosSe clasifican en :•Aeronaves de ala fija: Las alas se encuentran adosadas al resto de la aeronave y no poseen movimiento propio.

– Avión

– Planeador

– Ala delta

– Parapente

– Paramotor (Parapente con motor)

– Ultraligero

•Aeronaves de alas móviles– Helicóptero

– Autogiro

– Girodino

– Combinado (aeronave)

– Convertiplano

– Ornitóptero

Clasificaciones• Por la función que desempeñan

– Transporte– Combate– Rescate o ambulancia

• Clasificación de acuerdo con su empleo:– Aviones civiles– Aviones militares– Aviones comerciales

• Clasificación de acuerdo con la construcción:– Cantidad de alas: monoplanos, biplanos y multiplanos– Posición del ala: alto, bajo y medio– Cantidad de motores: monomotor, bimotor, etc.– Tipo de fuselaje: monocoque, semi monocoque y sin fuselaje– Tipo de material empleado: madera, metálica, resinas, etc.

• Sistema de propulsión: –Turbojet, –Turbohélice,–Reciproco

La palabra viene del francés "fuselé" que significa "ahusado“. Se denomina fuselaje al cuerpo principal de la estructura del avión, cuya función principal es la de dar cabida a la tripulación, a los pasajeros y a la carga, además de servir de soporte principal al resto de los componentes de la aeronave.

1.Es la estructura principal de una aeronave y la más grande.

2.Soporta la estructura de la cola

3.Estructura sobre la cual se adosan otros componentes como los motores, las alas, tren de aterrizaje, etc.

El Fuselaje

Consiste en un casco hueco delgado sin elementos transversales ni longitudinales. Es el fuselaje formado por anillos distanciados entre si, a los cuales se fija el revestimiento o piel que era muy grueso.

La palabra monocasco deriva de monocoque, que significa “cáscara o curva plana simple sin refuerzo”.

Cuando se la emplea, se recurre al uso de aleaciones livianas con la ventaja de poder aumentar la estabilidad del conjunto frente a las cargas que se imprimen sobre el fuselaje. Es liviano pero es de difícil construcción, es de difícil reparación, e impone limitaciones de diseño.Se usa en aviones pequeños

Fuselaje Monocasco

El fuselaje semi-monocasco, es la construcción estándar en la actualidad. Ha resuelto el problema del grueso espesor del revestimiento de la estructura monocasco. El fuselaje es de material más delgado por la introducción de refuerzos intermedios que son los largueros, larguerillos y cuadernas.

Los largueros unen las cuadernas a lo largo del eje longitudinal del fuselaje, son las estructura longitudinales más importantes de este tipo de fuselaje.

Fuselaje Semi Monocasco

2. Construido en aleaciones de aluminio y magnesio

1. Usado en aviones mas grandes

3. La mayor parte de la fuerza es en la piel, la piel se apoya en una subestructura de formadores y largueros que dan a la piel su forma.

Fuselaje Semi Monocasco

Los larguerillos cumplen una función secundaria de refuerzo, le dan forma al fuselaje y constituyen los puntos principales de unión de la chapa de revestimiento metálico.

Se proporciona fuerza adicional en una estructura semi-monocasco con una subestructura que refuerza la piel

Funciones y Componentes de un avión

Empenaje

En la cola del avión se encuentran montadas una serie de superficies destinadas a mejorar la estabilidad y controlar el movimiento del aparato.

LA ESTABILIDAD LONGITUDINAL VENDRÁ ASEGURADA SOLAMENTE POR LA ACCIÓN DE LA COLA (ESTABILIZADOR HORIZONTAL).

LA ESTABILIDAD LONGITUDINAL VENDRÁ ASEGURADA SOLAMENTE POR LA ACCIÓN DE LA COLA (ESTABILIZADOR HORIZONTAL).

El modelo normal de empenaje de cola consta de dos superficies básicas, la horizontal y la vertical. Cada una tiene secciones fijas para proporcionar estabilidad y móviles para controlar mejor el vuelo.

La sección fija de la superficie horizontal se llama estabilizador horizontal y suele estar en la parte frontal, mientras que en la posterior se encuentra la parte móvil llamada timón de profundidad o elevador. Algunas veces toda la superficie se puede mover y el elevador se elimina.

La parte fija de la superficie vertical es el estabilizador vertical y la móvil el timón de dirección.


Empenaje

Hay diseños que tienen dos superficies verticales y, por tanto, dos timones de dirección. Los empenajes de cola inclinados combinan las funciones de dirección y profundidad en un solo mecanismo. En algunos aviones supersónicos, la superficie horizontal se ha sustituido por dos aletas (canard) situadas a cada lado cerca del morro del avión.


Empenaje


Alas

El ala es el principal componente de un avión, su principal función es asegurar que el avión puede mantener un vuelo estable. Pero al ser una estructura bastante grande, la evolución tecnológica de los aviones ha hecho que adquiera una serie de nuevas funciones aparte de mantener el vuelo. El ala es diseñada basándose en criterios de actuaciones en vuelo, maniobrabilidad del avión, consideraciones de diseño estructural y finalmente factores de diseño global del avión (por ejemplo, donde poner un sistema u otro).

La función del ala es producir sustentación y soportar cargas, por lo tanto, su forma y estructura desde el punto de vista estructural se deberá comportar como una viga capaz de resistir esfuerzos, y entre ellos:

1. Cargas debidas al empuje o tracción del motor.

2. Reacción debidas al tren de aterrizaje.

3. Esfuerzos debidos a la deflexión de las superficies móviles.

4. Cargas aerodinámicas. (sustentación y resistencia).

Funciones y Componentes de un aviónAlas

Funciones y Componentes de un aviónAlas

Componentes principales: Larguero (Spar): Viga que se extiende a lo largo del ala. Es el componente principal de soporte de la estructura. Soporta los esfuerzos de flexión y torsión.Costilla (Rib): Miembro delantero y posterior de la estructura del ala, da forma al perfil y transmite la carga del revestimiento a los largueros.Revestimiento (Skin): Su función es la de dar y mantener la forma aerodinámica del ala, pudiendo contribuir también en su resistencia estructural.Herrajes (Fitting): Son componentes de metal empleados para unir determinadas secciones del ala. De su cálculo depende buena parte de la resistencia estructural del ala. Resisten esfuerzos, vibraciones y deflexiones.

1. Dar sustentación y mantener el vuelo compensando del avión.

2. Proveer de controlabilidad al avión en vuelo. Normalmente el ala es la encargada de la funciones de control de balance, en algunas alas (por ejemplo ala en delta) es también la encargada del control de cabeceo.

3. Asegurar la capacidad de despegue y aterrizaje del avión, cosa que suele realizar ayudándose de los dispositivos hipersustentadores, aumentando el área y Cl.

4. En aquellos aviones con motores en ala es la encargada de mantener el motor y transmitir su empuje al avión completo.

5. Alojar el combustible, en la estructura interna del ala debe estar preparada para contener combustible (protección química).

6. Luces y señalización. En los extremos del ala suelen encontrarse normalmente luces que son utilizadas para la navegación.

7. Soporte de armamento. En los aviones militares soportar los misiles y bombas.

8. Soporte de tanques de combustible externos, muchos aviones militares para misiones con el alcance extendido.

9. Alojamiento del tren de aterrizaje, muchos aviones tiene parte o bien todo el tren de aterrizaje dentro del ala.

10. Soporte para salida de emergencia, que están localizadas sobre el ala.

Funciones y Componentes de un aviónAlas y principales funciones

Funciones y Componentes de un aviónTipos de Alas


Tipos de Alas


Superficies de control primarias



Las superficies de control primario con las que se consigue el equilibrio del avión, básicamente son tres:

1. Timón de profundidad que controla el movimiento longitudinal de cabeceo en el eje lateral Y.

a) Los timones de profundidad se encuentran localizados en la parte final o borde de salida del estabilizador horizontal.

b) Los timones de profundidad se actúan empujando y tirando sobre el mando de vuelo o palanca



2. Los Alerones controlan el movimiento de balance alrededor del eje X.

a) Los alerones están localizados en el borde de fuga de las alas.

b) Los alerones se activan girando la palanca o mando de izquierda y derecha



3. El timón de dirección controla el movimiento de guiñada alrededor del eje vertical Z.

a) El timón de dirección está localizado en el estabilizador vertical en la sección de la cola y cerca del borde de salida.

b) El accionamiento del timón de dirección se efectúa presionando los pedales de timón a derecha y a izquierda.


Superficies de control secundarias


Superficies de control secundarias (Compensadores)

Cuando se desea continuar en una condición de equilibrio, el piloto debe operar sobre algunos mandos del avión, ajustando su posición, de forma que si suelta los mandos, se continua en la condición de vuelo deseada sin necesidad de ejercer ninguna presión sobre los mandos. Esta acción se llama compensar, es decir la aeronave no se encuentra sometida a ninguna aceleración ni lineal ni angular, es decir el avión se encuentra en equilibrio dinámico la suma de todas las fuerzas y momentos es 0

Compensadores tipo servos

La instalación más común en aviones pequeños es un compensador simple adosado al borde de fuga del elevador. Muchos compensadores son operados manualmente por una pequeña rueda montada verticalmente. Este tipo de compensador se mueve en sentido contrario al elevador.



Control Antiservo

Un compensador anti-servo funciona de manera opuesta a un compensador servo. Se mueve en la misma dirección que la superficie de control, haciendo que el movimiento de la superficie de control más difícil y requiere que se aplique más fuerza a los controles por parte del piloto. Se ocupa en aeronaves donde los controles son demasiado livianos o que la aeronave necesita una estabilidad adicional en el eje de movimiento.



Un dispositivo hipersustentador es un ingenio aerodinámico diseñado para aumentar la sustentación, en determinadas fases del vuelo de una aeronave. Su fin es evitar la entrada en pérdida durante fases concretas del vuelo, como el aterrizaje o el despegue, replegándose o quedando inactivo durante el vuelo normal de crucero. De este modo permite al avión volar a velocidades más bajas en las fases de despegue, ascenso inicial, aproximación y aterrizaje, aumentando su coeficiente de sustentación.

Los dispositivos hipersustentadores se pueden dividir en dos tipos principales:

1. Pasivos: son dispositivos que modifican la geometría del ala ya sea aumentando su curvatura, su superficie o bien generando huecos para controlar el flujo.

2. Activos: son dispositivos que requieren una aplicación activa de energía directamente al fluido.

Dispositivos hipersustentadores

Descripción

Los sistemas más usados son aquellos en que los planos hipersustentadores, crean un ángulo que se mide en grados con la cuerda del ala, desplazándose hacia atrás o adelante aumentando la superficie alar a medida que bajan

Dispositivos hipersustentadores de un avión

Dispositivos pasivos

Estos son los Flaps y los Slats


Flaps

Este dispositivo se localiza en la parte interna del ala, el flap ayuda a la aeronave a volar más lento. Esto ayuda a aumentar la fuerza de sustentación en el ala a bajas velocidades así como los despegues y aterrizajes. Estas bajas velocidades permiten acortar las velocidades durante el despegue y aterrizaje.

El flap aumenta la curvatura del perfil para incrementar el coeficiente de sustentación.

Existen flaps de borde de ataque y de fuga

Slats y Slots

Ranuras de borde de ataque

Consiste en una abertura en forma de ranura, situada en el borde de ataque entre un perfil auxiliar, slat y el perfil básico.

La ranura tiene la finalidad de insuflar aire a gran velocidad sobre el extradós del perfil. (Soplador)La misión de los slats, es la de permitir alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en pérdida. Los slats pueden ser fijos o móviles para permitir el cierre de la ranura a pequeños ángulos de ataque


Aspiradores y sopladores de capa límite

Es una bomba de vacío, que se ubica al interior del ala, que aspira las partículas de la capa límite(partículas con baja presión), en donde se espera que esta se desprenda, evitando la aparición de una estela turbulenta disminuyendo la resistencia y aumentando la eficiencia de combustible hasta en un 30%



A través de una fuente de aire a alta presión ( a menudo del compresor del motor) se sopla aire a través de unas ranuras sobre la superficie del perfil, adicionando energía a la capa límite, permitiendo operar a mayores ángulos de ataque

Aspiradores y sopladores de capa límite


Los aviones se diseñan para que las alas queden fuera en al medida de lo posible del barrido de la hélice. El motivo es que, este barrido introduce perturbaciones no deseadas en la corriente de aire que pasa por ellas, lo que hace que la sustentación tienda a ser asimétrica o errática en las zonas afectadas. Es una de las razones que llevaron a diseñar aviones con ala alta

Efecto Barrido de Hélices

Un Spoiler es un disruptor, deflector que busca reducir la sustentación de un avión. Son placas montadas en la cara superior de las alas que se abren, rompiendo el flujo laminar reduciendo la sustentación en el ala parcialmente, controlando la tasa de descenso, lo que permite realizar un aterrizaje controlado en el punto deseado.

Spoilers


Generadores de vórtices

Los generadores de vórtices son perfiles pequeños y delgados que se colocan lugares de transición de flujo laminar a turbulento. Estos perfiles adicionan aire turbulento que energizan la capa límite, la pegan a la superficie del perfil y causan retraso en la aparición del stall.


Winglet:Son superficies aerodinámicas que se integran a la estructura del ala para evitar que las corrientes de aire de la parte superior e inferior del perfil se junten y formen un torbellino de punta de ala o vórtice de alta energía el cual proporciona resistencia.

Luego la finalidad del Winglet, es atraer todos los vórtices del ala a un vórtice más pequeño y reducir considerablemente la resistencia inducida.


Conceptos básicos de aerodinámica del ala

Radio de Borde de ataque: define la forma o agudeza del borde de ataque

Definiciones

Término que describe la dirección y velocidad del viento con relación a la superficie de sustentación de una aeronave (alas en un avión, rotor principal en un helicóptero). El viento relativo sopla en dirección paralela y opuesta a la trayectoria de vuelo del aparato.

En aerodinámica asumimos que el viento fluye contra el avión, pero en la practica el avión es el que se mueve a través del viento, pero las fuerzas se producen de igual manera, resumiendo, el viento relativo fluye siempre en contra de la TRAYECTORIA de vuelo del avión

El Viento relativo

Es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo. Este ángulo es variable, pues depende de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos extremos controlados por el piloto. Es conveniente tener muy claro el concepto de ángulo de ataque pues el vuelo está directa y estrechamente relacionado con el mismo.

Ángulo de Ataque

Ángulo de Incidencia

El ángulo de incidencia es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala con respecto al eje longitudinal del avión. Este ángulo es fijo, pues responde a consideraciones de diseño y no es modificable por el piloto.

Ángulo de diedro del ala

Se denomina efecto del diedro a los momentos de balanceo a que da lugar el resbalamiento o una guiñada

Es el Ángulo que forman las alas (más concretamente la línea del 25% de la cuerda) respecto del eje transversal del avión.

La flecha puede ser positiva (extremos de las alas orientados hacia atrás respecto a la raíz o encastre, que es lo habitual), neutra, o negativa (extremos adelantados).

Para tener una idea más gráfica, pongamos nuestros brazos en cruz como si fueran unas alas; en esta posición tienen flecha nula, si los echamos hacia atrás tienen flecha positiva, y si los echamos hacia delante tienen flecha negativa

Ángulo de la flecha del ala

Aerodinámica del helicóptero.

1.- Descripción de los principales componentes de un helicóptero y su función.- Fuselaje.- Empenaje (estabilizador horizontal y vertical).- Rotor principal.- Tipos de rotor principal.- Rotor de cola.- Tren de aterrizaje.- Accesorios para control vertical, horizontal y lateral (colectivo, cíclico y pedales)

2.- Fuerzas que actúan durante el vuelo de un helicóptero.- Sustentación, peso, tracción, resistencia al avance, centrífuga, torque o par motor.

3.- Descripción de reacciones aerodinámicas.- Velocidad del rotor.- Disimetría de la Sustentación.- Disimetría de la Sustentación en el rotor de cola.- Precesión giroscópica.

4.- Vuelo estacionario y efecto suelo.- Flapeo ó flapping.- Autorrotación.

Aerodinámica del helicóptero

Aeronaves CTOL

Son aeronaves convencionales, que requieren de pistas largas y bien preparadas

Aeronaves STOL

Son aeronaves que realizan despegues y aterrizajes en pistas cortas

Aeronaves VTOL

Son aeronaves que realizan despegues y aterrizajes verticales, a este grupo pertenecen los helicópteros



Distintos tipos de alas rotatorias

Características únicas– Vehículos con alas rotatorias– Capacidad de hacer vuelo estacionario– Aterrizar y despegar verticalmente– Volar hacia adelante, atrás y los lados

Los helicópteros están estrechamente relacionados con los autogiros.


CLASIFICACIÓN DE LOS HELICÓPTEROS



Tipos de helicópteros. Por configuración


Tipos de helicópteros. Por misión y peso


Descripción de los principales componentes de un helicóptero y su función


Estructura general

•FuselajeFuselaje•Tren de AterrizajeTren de Aterrizaje•Cono de colaCono de cola•Cubiertas de motor (cowling)Cubiertas de motor (cowling)• transmisión principaltransmisión principal


Estructura general


Estructura general Sección nariz y habitáculo de pasajeros


Estructura general Sección intermedia


Estructura general sección de la cola


Estructura general estabilizador vertical


Estructura general estabilizador horizontal


Estructura general estabilizador horizontal

COUGARCOUGAR


Estructura general tren de aterrizaje

COUGARCOUGAR


Estructura general tren de aterrizaje


Rotores

El rotor es la parte giratoria del helicóptero que genera la sustentación.

El rotor principal no sólo sirve para mantener el helicóptero en el aire (estacionario), así como para elevarlo o descender, sino también para impulsarlo hacia adelante o hacia atrás, hacia los lados o en cualquier otra dirección. Esto se consigue mediante un mecanismo complejo que hace variar el ángulo de incidencia (inclinación) de las palas del rotor principal dependiendo de su posición.


Rotor Principal

Un rotor articulado en general tienen la capacidad que las palas se puedan mover como se indica a continuación:

1) Movimiento de aleteo o batimiento ( subida y bajada )

2) Movimiento de avance y retroceso en el plano de la pala

3) Variación en el ángulo de calado , manteniéndose constante esta variación a lo largo de una vuelta ( paso colectivo )

4) Variación del ángulo de calado cariándolo a lo largo de una vuelta ( paso cíclico )

5) Movimiento de giro en torno al eje de arrastre del rotor


Rotores Principal (Articulado)

Es un “combinado” de los rotores rígidos y articulados.


Rotores Principal (Semi Rígido)

1) Movimiento de giro en torno al eje de arrastre del rotor. Elimina algunos de los inconvenientes de los rotores articulados, aunque naturalmente surgen otros propios de este sistema.

2) Las palas no se articulan en el buje; es el conjunto el que puede inclinarse en todas direcciones mediante la articulación cardan o junta universal que une el buje al mástil.


Rotores Principal (Rígido)

1) En un rotor rígido el eje de giro y el buje están rígidamente unidos formando una única pieza.

2) Las palas están encastradas rígidamente al buje, teniendo solamente la libertad de giro sobre su eje longitudinal para la variación de paso.

3) Sus características más importantes son la sencillez constructiva y la robustez mecánica

RIGIDO: Libertad para cambio de paso

No visible amortiguador de arrastre


SEMIRIGIDO: Libertad para cambio de paso y arriba y abajo

Muy común en helicópteros de dos palas


ARTICULADO: Libertad para cambio de paso, batimiento y arrastre

Es visible el amortiguador de arrastre



Rotor de cola

El rotor de cola, o rotor antipar, es un componente típico en los helicópteros que tienen un único rotor principal que consiste en una hélice montada en el larguero de cola del helicóptero, con un eje de rotación lateral. El empuje que crea, está desplazado del centro de gravedad, contrarrestando el par motor creado por el rotor principal, manteniendo el aparato estable en el aire. El paso de las palas del rotor de cola es regulable por el piloto mediante los pedales, esto permite al piloto rotar el helicóptero sobre su eje vertical, proporcionando el control de dirección


Rotor de cola convencional, función especifica

El fenestrón, también llamado fantail o rotor de ventana, es una hélice de 8 a 18 palas o álabes, encerrado en la cola del helicóptero. Esta situación permite una mayor fuerza de rotación que un rotor convencional y por ésta razón y su mayor número de palas puede tener un tamaño menor que un rotor de cola normal.Sus ventajas son mayor seguridad al estar más protegido y el menor nivel de ruido.Su desventajas, aumento de peso, el costo, la complejidad y el consumo, sobre todo en vuelo estacionario.

Rotor de cola, fenestrón


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