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Diseño de AvionesMódulo 6

6. Diseño de aeronaves

• Antes de comenzar el desarrollo de productos, es muy importante que planifiques la carga de trabajo del equipo, considerando otras actividades como sus estudios

• No necesitas herramientas sofisticadas para hacer esto. Una hoja de cálculo es suficiente para este tipo de proyecto.

• En el informe "Learn & Fly Challenge" tienes que incluir tu planificación

Tareas Semanas del año ... Semanas del año ...

45 46 47 48 49 50 51 52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Diseño

Simulación

Fabricación

Peso & Equilibrio

Ensayos de Vuelo

Acabados

Informe

…

6. Diseño de aeronaves6.1 Gestión de proyectos• En proyectos más complejos, y cuando muchas actividades dependen de

otros, generalmente se utiliza el diagrama de Gantt para administrar el proyecto.

• El diagrama de Gantt es una presentación visual que se utiliza en la gestiónde proyectos para mostrar una descripción general del cronograma de las actividades del proyecto y su interdependencia. Esto incluye la gestión de recursos, costos, problemas y riesgos.• Fácil de entender

• Claridad de fechas

• Aporta eficiencia y gestión de tiempo

• Permite la coordinación entre las partes

6. Diseño de aviones6.2 Desarrollo de producto

Desarrollo del Diseño1er boceto Modelo CAD y herramientas de dibujo detalladas y plantillas

Simulaciones por computadora Lista de Materiales

Concepto

• Revisión del concepto del sistema

Diseño preliminar

• Revisión del diseño preliminar

Desarrollo

• Revisión Crítica de Diseño

Producción

• Revisión de Fabricación

Cualificación y Certificación

• Inspección de primeros artículos

• Revisión de la Calidad

De la sección 5.3.

Después de planificar la

siguiente tarea es definir el

“Concepto”.

6. Diseño de la aeronave6.3 Sostenibilidad del producto

• Material• Minimizar el material a usar y tratar de reutilizar o

reciclar materiales

• Económico• Considera el costo total durante el ciclo de vida,

incluyendo el reciclaje

• Diseño• Diseña para el medio ambiente y el usuario del

producto, así como para el reciclaje

• Mercado• Desarrollar productos de acuerdo a las necesidades

• Valor• Reducir el impacto en la comunidad local y global.

• Tecnología• Optimizar las materias primas y el proceso de

producción.

• Ecología• Minimizar el impacto ambiental

Materiales y Diseño 28 (2007) 466–479

Material

Económico

Diseño

MercadoValor

Tecnología

Ecología

Cadena de sostenibilidad del producto

6. Diseño de la aeronave6.4 Requisitos técnicos

• Desarrollado por Noriaki Kano en la década de 1980, Kano Model Diagram ayuda a identificar los requisitos para tu

proyecto.

• Requisitos• Estas son las características básicas que tiene que

tener tu producto.

Ejemplos: debe volar; área del ala <10dm2; carga útil100g

• Unidimensional• También se llama características de rendimiento.

Cuanto mejor los ejecutes mejor será tu producto.

Ejemplos: construcción ligera; poco arrastre, masa y equilibrio bien hecho

• Atractivo• Estas son las innovaciones que traes a tu producto.

Son generalmente sorpresas agradablesinesperadas o encantos.

Ejemplos: nueva forma de ala, diferente forma de estabilizador, solución para el desmontaje de ala

Materials Today: Procedimientos 2 (2015) 1585 - 1594

Sati

sfac

ció

nIn

sati

sfac

ció

n

No completada CompletadaIndiferente

6. Diseño de la aeronave6.4 Requisitos técnicos

• Indiferente

• Requisitos que no son importantes para el reto

Ejemplos: bonita pintura, todo hecho de fibra de carbono

• Inversión

• Causas de insatisfacción. Debe ser excluido de tu producto

Ejemplos: soporte de pie unido a la aeronave

• Para que la satisfacción del cliente sea muy alta, debemos incluir algunos requisitos unidimensionales y atractivos.

Materials Today: Procedimientos 2 (2015) 1585 - 1594

Sati

sfac

ció

nIn

sati

sfac

ció

n

No completada CompletadaIndiferente

6. Aircraft Design 6.5 Herramienta para diseñar un modelo de planeador

• Se proporciona una herramienta de hoja de cálculo para diseñar tu modelo de planeador.• Esta herramienta le brinda la primera aproximación sobre las dimensiones y los

parámetros más importantes para que tu aeronave vuele

• Todas las dimensiones están relacionadas con la cuerda del ala "C". Esto significa que si defines la cuerda del ala, todas las otras dimensiones se definen, entre ciertos límites.

• Incluso si se pasan ciertos límites, puede ser una buena solución, pero se debe tener más cuidado

Acorde "C"

Espesor

Superficie sustentadora


El encabezado de la hoja de cálculo explicado

1. Defina el acorde "C" del planeador, rellenando la celda blanca (F6).Ten en cuenta que el área proyectada (en el caso de un ala de forma rectangular es la (Cuerda"C") x (Wing Span "E")) debe estar por debajo de 10 dm2 y el espacio de ala recomendado debe ser de 8 a 10 veces la cuerda

2. Define el intervalo de ala "E" teniendo en cuenta que el área debe estar por debajo de 10 dm2, es decir, 100000 mm2

3. Definir los parámetros restantes. El "Valor utilizado" de la celda se vuelve verde si está dentro de los límites y naranja si está afuera

Symbol Min MaxValue

Used

Dim.

[mm]

Dim

[in]

Dim

[feet]

El símbolo que identifica la dimensión en el dibujo

Los valores mínimos y máximos recomendados divididos por “C”

La dimensión real dividida por "C" (calculada por la hoja de cálculo)

La dimensión real en diferentes unidades [mm], [in] y [pies]

Límites interiores Límites exteriores


Symbol Min MaxValue

Used

Dim.

[mm]

Dim

[in]

Dim

[feet]

Wings

Root Chord ( C ) C 1 1 1.00 110 4.331 0.361

Wingspan (if glider 8 to 10C or more) E 8 10 8.26 909 35.79 2.982

Incidence angle of wing [º] AI 0 4 2.00 2

Longitudinal position of wing (N + 1/4 C) La 1.25 2.25 1.25 138 5.425 0.452

Area of wing (C x E) [unit]2 A 0 100000 99990 99990 3937 328.1

Fuselage

From wing leading edge to nose (1C ) N 1 2 1.00 110 4.331 0.361

From wing tail to leading edge of stabilizer (1,5 to 2C) F 1.5 2 2.00 220 8.661 0.722

Fuselage total length (N+C+F+Ch) L 4.17 5.75 4.75 523 20.57 1.714

Fuselage diameter D 20 0.787 0.066

Horizontal stabilizer

Chord of horizontal stabilizer (2/3 to 3/4 of C) Ch 0.67 0.75 0.75 83 3.248 0.271

Lenght of horizontal stabilizer (2 to 2,5C) Eh 2 2.5 2.50 275 10.83 0.902

Incidence angle of horizontal stabilizer (0º to 5°) [º] Ih -5 0 -1.00 -1

Longitudinal position of horizontal stabilizer (of C) Lh 3.67 5.19 4.18 460 18.11 1.509

Vertical stabilizer

Chord of vertical stabilizer (3/4 to 1C ) Cv 0.75 1 0.75 83 3.268 0.272

Heigth of vertical stabilizer (1C) Ev 1 1 1.00 110 4.331 0.361

Longitudinal position of vertical stabilizer Lv 3.6875 5.25 4.23 465 18.31 1.526

Control Surfaces (optional)

Chord of horizontal stabilizer (1/3 of stabilizer chord) Clp 0.33 0.33 0.33 36 1.429 0.119

Chord of vertical stabilizer (1/2 of stabilizer chord) Cld 0.5 0.5 0.50 55 2.165 0.18

Aileron chord (1/3 of C) Cla 0.33 0.33 0.33 36 1.429 0.119

Aileron length (2C) Ela 2 2 2.00 220 8.661 0.722

Centre of gravity position (CG) (N + 1/4 C) CG 1.1 1.3 1.23 135 5.315 0.443

6. Diseño de aeronave

• La relación de planeo es la relación de la distancia total recorrida horizontalmente en el aire inmóvil por la altitud perdida.

• La relación de planeo de 20: 1 significa que el planeador perderá 1 metro de altitud por cada 20 metros recorridos en horizontal

• Para aumentar esto debes tener cuidado con el diseño y la construcción:

• Perfil apropiado, geometría de ala y ángulos rectos

• Estructura ligera

• Dimensiones apropiadas

• Avión bien equilibrado

Distancia horizontal

Alt

itu

d

Perd

ida

6. Diseño de aeronave de perfil aerodinámico

𝐿 =1

2𝜌 𝑣2𝐴 𝑐𝐿

ρ - Densidad del aire (1.225 kg/m3 at 15oC and 1013hPa)

v - velocidad o velocidad del aire (m / s)

A - Superficie del área del ala (m2)

CL- Coeficiente de elevación (adimensional)

L - Fuerza de elevación (N - Newton)

• CL y CD dependen del tipo de perfil aerodinámico y del ángulo de ataque del flujo.

• Para cada perfil aerodinámico es posible obtener los gráficos de CL y CD

• Como ejemplo, se puede usar el enlace de Airfoil Tools - http://airfoiltools.com para elegir un perfil aerodinámico.

• Por ejemplo, el perfil aerodinámico NACA2412 tiene los siguientes gráficos

D - (Drag) Resistencia

𝐷 =1

2𝜌 𝑣2𝐴 𝑐𝐷

CD - Coeficiente de arrastre (adimensional)

http://airfoiltools.com/


Perfiles aerodinámicos comunes que se pueden usar

NACA2412


Perfiles aerodinámicos comunes que se pueden usar

Clark Y


Ejemplo de cálculo de fuerzas de elevación y arrastre utilizando NACA2412

Vista superior del Ala

Envergadura

Cuerda

Datos para el cálculo Levante y Arrastre

Valor Unidades

Densidad del aire

1.23 Kg/m3

Velocidad del aire

10 (36) m/s (km/h)

Envergadura

0.83 m

Cuerda 0.12 m𝐿 =

1

2𝜌 𝑣2𝐴 𝑐𝐿

Área del ala

𝐴 = 0.83 × 0.12 = 0.10𝑚2

Suponiendo un ángulo de incidencia de 2º.

CL = 0.5

6. Diseño de aeronave6.8 Ala de arrastre.

• Uno de los factores más importantes que reduce la eficiencia del ala es la punta del ala.• Produce vórtices, perdiendo energía

• La menor presión sobre las alas produce un flujo lateral interno


• Hay varias formas de reducir la resistencia del ala• Reduciendo el tamaño del ala aumentando su relación de aspecto (espacio de ala

dividido por la media de la cuerda). En la tabla de la sección 6.5 está E / C.

• Presentamos winglets (como en la nueva generación de Airbus A321, que se muestra en la imagen)

Imagen de Olivier Cleynen (CC BY-SA 3.0)Imagen de Pedro Aragão (CC BY-SA 3.0).


• La forma de las alas también afecta la cantidad de levantamiento y arrastre producido. Los más comunes son:

• Elíptica• Minimiza el arrastre inducido pero es

muy difícil de construir.

• Rectangular• Mucho más fácil de construir que la

forma elíptica

• Afiladas• Más frecuente en los planeadores.

Menos resistencia que la rectangular porque la punta del ala es más pequeña

• Barrer hacia adelante• Se utiliza en algunos planeadores de

dos asientos para mover CG y para aumentar la maniobrabilidad.

Glider Flying Handbook, FAA, FAA-H-8083-13A, 2013

6. Diseño de aviones. 6.9 Estabilidad lateral.

• A veces, la aeronave tiene tendencia a hacer algún movimiento de balanceo, girándose hacia un lado. Esto no es lo que se pretende en el "Desafío Learn&Fly", ya que solo se tiene en cuenta la distancia recorrida de acuerdo con el parche de vuelo ideal (que es una línea recta).

• Para reducir este efecto, puedes agregar una cantidad de ángulo diedro como se muestra en la siguiente imagen.

• Si una de las alas baja, el ángulo de ataque aumenta, porque el aire se está moviendo hacia arriba pasándola, aumentando la elevación y girando el avión de nuevo a la posición horizontal

Glider Flying Handbook, FAA, FAA-H-8083-13A, 2013

6. Diseño de aeronaves6.10 Selección de materiales

Selección correcta del material

Función y Demandas Estructural

es

Costo y disponibili

dad

Métodos de

producción

• Hay varias formas de elegir los materiales para tu aeronave. Debes optimizar la selección de materiales principalmente en relación a los siguientes elementos:

• Los materiales deben hacer un avión ligero• Los materiales funcionan en la estructura y las

exigencias impuestas• Costo de materiales y disponibilidad en el

mercado• Los métodos de producción disponibles para

que transformes esos materiales

• Para otras aplicaciones también puedes tomar nota de aspectos interesantes tales como:

• Mercado o demandas de los usuarios• Diseño• Impacto medioambiental • Vitalicia

6. Diseño de aeronaves6.10 Selección de materiales

• Selecciona los materiales más apropiadossegún tu visión de la aeronave y losrequisitos relacionados

• Recuerda que en la aeronáutica es crucial utilizar materiales con una relación entre resistencia y densidad optimizada

• Posibles implicaciones en el modelo de avión:• Las espumas son muy livianas pero tienen

poca resistenciaPueden ser apropiadas para dar forma a las costillas

• Los compuestos tienen una resistencia muyalta, pero una densidad mucho mayor que las espumas Pueden ser apropiados para partes

estructurales específicas, como largueros de ala

Cuadros de selección de Materiales y Procesos, Granta, 2010

6. Diseño de aviones6.11 Fusibles

• En muchas situaciones, los fusibles se utilizan para proteger los sistemas mecánicos

• En los aviones los fusibles son frecuentes. Por ejemplo, los pines de fusibles se utilizan para sostener los motores En el caso de grandes vibraciones del motor, aterrizaje forzoso u otro aterrizaje difícil para proteger el fuselaje, los fusibles se rompen, perdiendo el motor, protegiendo el ala y el fuselaje de la aeronave.

• En tu modelo de aeronave, también puedes usar fusibles mecánicos para evitar perder tu aeronave cuando se estrella en el suelo. Puede ayudarte a pasar la prueba de caída que se espera al final de la "Competencia Learn&Fly".

6. Diseño de aviones

• Tienes que proporcionar dibujos detallados de tu proyecto, que se pueden hacer a mano usando la representación de vista múltiple• Detalle de accesorios de ala y

estabilizadores

• Muestra cómo separas el ala en dos

• Donde debe estar el centro de gravedad

• Muestra las características especiales de tu aeronave, como el ángulo diédrico, etc...

• Recuerda que todos tienen que enteder estos dibujos.

6. Diseño de aviones6.12 dibujos.

• También puedes adjuntar un dibujo con dimensiones generales mediante una representación isométrica.

• Puedes hacerlo a mano con la ayuda de la cuadrícula que se proporciona en la sección 5.5.7.

Dimensiones en “pulgadas”

6. Diseño de aeronaves6.12 Dibujos6.12.1 Lista de materiales• En el dibujo aeronáutico es

frecuente presentar la Lista de Materiales en una lista separada.

• Para la "Competencia Learn&Fly", tienes que incluir esta lista en el informe como sigue.

• Incluye también el costo de los materiales:

• Materiales de fila de tamaño completo

• Reducción del 50% para materiales reutilizados

• Los materiales proporcionados deben contabilizarse como se presenta en la tabla

• Presupuesto total: 50€

Material Componente Peso (Kg) Costo (€) Obs.1

Espuma de poliestireno de alta densidad (0,85 mx

0,6 m)

4 € Proporcionado

Tubos de fibra de vidrio (6 x 1 m) 3 € Proporcionado

Varilla de fibra de vidrio (2,5 x 1 mm) 2 € Proporcionado

Tubo de fibra de vidrio (caña de pescar) (4

elementos)

6 € Proporcionado

Cartón 3 mm (0.5x0.35 m) 2.5€ Proporcionado

Pegamento para espuma de poliestireno 4.5€ Proporcionado

Tira de velcro 0.5 € Proporcionado

Carga 0,1 0 € Proporcionado

…

Total

6. Diseño de aeronaves6.13 Masa y Equilibrio

• La posición del centro de gravedad (CG) es muy importante para que tu aeronave vuele y para que vuele de manera eficiente

• Durante el "Diseño preliminar" se debe calcular la posición correcta del CG

• En general tienes que agregar masa cerca de la nariz del avión para equilibrar

PesoCentro de

Gravedad (CG)

Elevación


• Para calcular la posición del CG, tienes que definir una referencia (Línea de referencia) que en este caso puede ser la nariz (coordenada X)

• De acuerdo con la sección 3.4.1, la posición del CG se puede calcular de la siguiente manera:

𝐶𝐺 = 𝐖𝐞𝐢𝐠𝐡𝐭 ∗ 𝒅

𝐖𝐞𝐢𝐠𝐡𝐭= ⋯

siendo el Peso los pesos individuales de cada componente y dla distancia de cada componente (Lf, La, Lm, Lh, Lv…) a la línea

de referencia (posición CG de cada uno)

𝐖𝐞𝐢𝐠𝐡𝐭 representa el peso de toda la aeronave

• El valor CG vendrá en las unidades que usó para X y se medirá a partir de la referencia de línea de referencia.

d

Lf

La

CGLhLv

Lm

.

CG - posición del centro de gravedadLf - Posición longitudinal del fuselajeLa - Posición longitudinal del ala Lm - Posición longitudinal de masa añadidaLh - Posición longitudinal del estabilizador horizontalLv - Posición longitudinal del estabilizador vertical

Lin

ea

de

ref

ere

nci

a


• Puedes usar una hoja de cálculo para calcular la posición del CG• Usa fórmulas para obtener:

• el "peso" multiplicado por "x" = C2 * D2 ...

• el peso total (suma todos los pesos individuales)

= suma (C1: C4)

• el “Peso * X” total (suma todo el “Peso * X” individual)

= suma (E1: E4)

• La posición del CG se puede obtener en la hoja de cálculo calculando en una nueva celda el valor de:

= E5 / C5

• Puedes encontrar un ejemplo de cómo calcular el CG en la sección 3.4.3.

A B C D E

1Compone

nte

Materi

al

Peso

esperado

Posición

longitudin

al “X”

Peso*X

2 Ala = C2 * D2

3 Fuselaje = C3 * D3

4 … = C4 * D4

5TOTALES = suma(C1:

C4)

= suma(E1:

E4)

6 CG = E5 / C5


• Masa de algunos materiales suministrados.

Material Peso/Unidad Unidad

Espuma de poliestireno de alta densidad (espesor de 20

mm)

g/m2

Tubos de fibra de vidrio (6) 25.50 g/m

Varilla de fibra de vidrio (3) 18.30 g/m

Tubo de fibra de vidrio (caña de pescar) (1er elemento 24

a 21)

76.40 g/m


a 16)

65,00 g/m


a 8)

28.86 g/m

Tubo de fibra de vidrio (caña de pescar) (1er elemento 7 a

2)

10.72 g/m

Cartón 3 mm (0.5x0.35 m) 404.8 g/m2


• Puedes verificar si tu avión está correctamente equilibrado apoyándolo cerca del centro de gravedad (aprox. ¼ de la cuerda del ala) en las extremidades de las alas

• Un avión bien equilibrado se mantendrá horizontal

• Una forma sencilla de equilibrar la aeronave es agregar o eliminar masa en la nariz

6. Diseño de aviones6.14 Cómo lanzar tu avión

• Sujeta firmemente el avión cerca de la posición CG

• Permanencer en una posición fija

• Lanza el avión horizontalmente con una buena fuerza de impulso• Es mejor lanzarlo horizontalmente

que lanzarlo a una velocidad muy alta

6. Diseño de aviones6.14 Cómo lanzar tu avión

• Recuerda que tu aeronave tiene que estar equilibrado sin carga útil

• Tienes que demostrar que la aeronave puede tener un vuelo estable sin carga útil

• Mira cómo se comporta tu avión

• Si el modelo se detiene o se sumerge, tienes que ajustar la posición del CG agregando o quitando peso en la nariz. También puedes ajustar esto si puedes cambiar el ángulo del estabilizador horizontal.

• Si tu avión está cargado con la masa de carga útil, puedes ajustar la posición de la carga útil.

parado

buen comportamiento

6. Diseño de aviones6.15 Cómo medir la distancia recorrida

• La distancia recorrida se mide proyectando el CG al camino de vuelo ideal

• Incluso si el avión se desmonta, lo que importa es el CG del fuselaje

Ideal Flying Path (in line)

Launching Line Flying path

GroundMovement

1st groung hit point

Measured Travel Distance

6. Diseño de aviones6.15 Cómo medir la distancia recorrida• Si no puedes obtener fácilmente el punto del proyecto, puedes usar El teorema de

Pitágoras

• Corta un hilo con tamaño (3 +4 +5 = 12 metros) y haz una marca con 3 metros, 4 metros y el restante tendrá 5 metros. Puedes usar múltiplos de las dimensiones laterales para definir el triángulo. Por ejemplo, 1.5 X más tendrán (4.5 + 6 + 7.5 = 18 metros)

• Define el triángulo en el suelo según la siguiente figura (líneas rojas). El ángulo formado entre los lados con 3 metros y 4 metros tendrá 90º.

Ideal Flying Path (in line)

Launching Line Flying path

GroundMovement

1st groung hit point

Measured Travel Distance

a=3

b=4c=5

6. Diseño de la aeronave6.15 Cómo medir la distancia recorrida6.15.1 Teorema de Pitágoras

• De acuerdo con el Teorema de Pitágoras, el triángulo es un rectángulo(tiene un ángulo con 90º) si la suma del cuadrado de los lados 2 es igual al cuadrado de la hipotenusa 2. Usando la fórmula

• 𝑎2 + 𝑏2 = 𝑐2

• 32 + 42 = 52 9 + 16 = 25 25 = 25 (verificado)

a=3

b=4c=5

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