Columbus Defense S.A. CDMS-300
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- Juan José Enrique Mora Plaza
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1 Columbus Defense S.A. CDMS-300
2 Introducción Colombus Defense es una empresa cuyo objetivo es diseñar, calcular y construir aeronaves personalizadas de despliegue táctico-militar cumpliendo de manera fiel los requisitos del cliente. QUÉ OFRECEMOS? Innovación Exigencias en calidad, fiabilidad y seguridad Integración de últimas tecnologías y sistemas Profesionalidad Ingeniería concurrente Satisfacción del cliente GARANTÍA Y CALIDAD CREATIVIDAD ÚLTIMA TECNOLOGÍA PROYECTO (RFP) Columbus Defense 2
3 CDMS-300 Columbus Defense 3
4 Aerodinámica 1. Selección de los perfiles. 2. Selección configuración alar. Ala Convencional. Diseño innovador. Comparación. 3. Polar del avión y Coeficiente de Oswald. 4. Herramientas para reducción de la resistencia. 5. Dispositivos Hipersustentadores. Columbus Defense 4
5 Selección del perfil Mayor ponderación Resistencia mínima Columbus Defense 5
6 Perfiles elegidos ALAS: NACA 64(3)618 SUPERFICIES DE CONTROL: Perfiles NACA simétricos: NACA 0010 NACA 0012 Máxima curvatura del 3.31% Máxima curvatura localizada al 51.36% del borde de ataque Espesor máximo 18% y su posición está al 36.95% Columbus Defense 6
7 Ala convencional Características: Tres estrechamientos Sin flecha en el borde ataque Winglets AR=10.47 S=117.6 m 2 M.A.C.=3.51 m E=0.39 Columbus Defense 7
8 Diseño Innovador Configuración no planar: Columbus Defense 8
9 Diseño Innovador Configuración no planar: BOX WING Columbus Defense 9
10 BOX WING Datos avión completo: AR Box Wing =10.47 CL0=1.009 CLα= /rad CM0= CMα= /rad Forward wing: AR=20.83 S=58.8 m 2 M.A.C.=1.886 m E=0.25 Λ c/4 =-15 º Aft wing: AR=20.83 S=58.8 m 2 M.A.C.=1.7 m E=0.68 Λ c/4 =15 º Columbus Defense 10
11 Comparación ALA CONVENCIONAL vs BOX WING: Columbus Defense 11
12 Comparación ALA CONVENCIONAL vs BOX WING: Menor resistencia inducida Columbus Defense 12
13 POLAR DEL AVIÓN Y COEFICIENTE DE OSWALD: CD=CD 0 +K 1 CL 2 -K 2 CL AVIÓN CONVENCIONAL: CD 0 clean = CD 0 dirty, TO = K 1 =0.035 K 2 = e= S ref =117.6 m 2 BOX WING: CD 0 clean = CD 0 dirty, TO = K 1 = K 2 = e= Columbus Defense
14 Elección de BOX WING Columbus Defense 14
15 POLAR DEL AVIÓN: COEFICIENTE DE OSWALD: CD=CD 0 +K 1 CL 2 -K 2 CL K 1 = K 2 = C D0,clean = C D0,dirty, TO = C D0,dirty, LDNG = S ref =58.8 m 2 Literatura: e DeYoung = e Prandlt = e Rizzo = XFLR5: e= h/b=0.14 Columbus Defense
16 Reducción resistencia Uso de Smart Surface, inspirado en pieles de animales marinos 10% Perfiles aerodinámicos en la parte de la rampa 3.3% Deflexión flexible de superficies aerodinámicas 12% Columbus Defense 16
17 HLD Slat & double-slotted Fowler Flap DESPEGUE: 55% en Forward wing C L, TO =2.70 ATERRIZAJE: 55% en Forward wing 50% en Aft wing C L max, LNDG =3.44 Columbus Defense
18 BOX WING CON FLAPS DESPEGUE: Columbus Defense 18
19 BOX WING CON FLAPS ATERRIZAJE: Columbus Defense 19
20 Estructuras 1. Estimación y evolución de pesos. Comparación con aviones con misiones similares. 2. Estructura interna. Alas. Fuselaje. 3. Estudio avanzado de materiales. 4. Estudio de cargas y refuerzos estructurales. Cargas aerodinámicas y estructurales. Refuerzos estructurales. 5. Envolvente del centro de gravedad. Ley de combustible. 6. Tren de aterrizaje. 7. Diagrama V-n. Rachas de viento Columbus Defense 20
21 Estimación de pesos Estimación de Pesos (Misión 3) [kg] Rev. 1 Rev. 2 Rev. 3/Final W w W v W fus W lg W fix W e W TO Desglose de Pesos Totales (Misión 3) 19% 45% Ala Delantera Estabilizador Vertical Tren de aterrizaje Misceláneo 5% 6% Ala Trasera Fuselaje Carga de pago 3% 15% 7% Factores variación del peso Reducción factor de carga Refuerzos Optimización peso sistemas Cambio de motores y combustible necesario Columbus Defense 21
22 Evolución de pesos MISIÓN Peso vacío Peso al despegue Revisión 1 Revisión 2 Revisión 3 Columbus Defense 22
23 Comparación de peso AVIONES CON MISIONES SIMILARES PESO MÁXIMO AL DESPEGUE CARGA DE PAGO MÁXIMA Pesos máximos al despegue C-130 Columbus C-295 Columbus Defense 0 Carga de pago máxima C-130 Columbus C
24 Estructura interna ALAS Columbus Defense 24
25 Estructura interna FUSELAJE PANELES DE MATERIAL COMPUESTO CON LARGUERILLOS EXCEPTO EN LA ZONA DE LA CABINA CUADERNAS METÁLICAS Columbus Defense 25
26 Estudio avanzado de materiales Fibra de carbono Sharklet Smartskin Refuerzo de Kevlar Panel Sándwich Fibra de carbono Titanio Aleación de aluminio aeronáutico Columbus Defense 26
27 Estudio avanzado de materiales SHARKLET SMART SKIN Imita las escamas de la piel de tiburón. Material muy ligero Aumenta el flujo laminar un 10% DISMINUCIÓN DE LA RESISTENCIA Recubre la estructura del fuselaje Columbus Defense 27
28 Diagrama V-n Columbus Defense 28
29 Estudio de cargas y refuerzos CARGAS AERODINÁMICAS Y ESTRUCTURALES Estimación de los esfuerzos en las uniones ala-fuselaje y ala-estabilizador vertical: TEORÍA DE VIGAS Para nuestro caso: q 4500 [N/m 2 ]x 2[m] = 9000 [N/m] L = 17,5 [m] M=1/2*q*L 2 = 78,8 [KN*m] M total =2*M = 157,6 [KN*m] R total =2*q*L = 315 [KN] Columbus Defense 29
30 Estudio de cargas y refuerzos CARGAS AERODINÁMICAS Y ESTRUCTURALES Estimación del esfuerzo en la unión estabilizador vertical-fuselaje por el empuje de los motores: M = E*d 90 [KN]*5[m ] = 450 [KN*m] Estimación fuerza que soporta el tren de aterrizaje y zona inferior del fuselaje: Fn máxima = 117,3 [KN] Fm máxima = 347,1 [KN] Columbus Defense 30
31 Estudio de cargas y refuerzos REFUERZOS ESTRUCTURALES Columbus Defense 31
32 Estudio de cargas y refuerzos REFUERZOS ESTRUCTURALES CARGAS AERODINÁMICAS CARGAS ESTRUCTURALES Carga soportada Refuerzo Incremento peso (lb) Ala delantera - 157,6 [KN/m] 10% 773,7 fuselaje Ala trasera - 157,6 [KN/m] 10% 314,8 estabilizador vertical Fuselaje [KN] 5% 338,6 estabilizador vertical TOTAL 1427,1 (648,7 kg) Wstructure: kg kg We: kg kg WTO: kg kg Carga soportada Refuerzo Incremento peso (lb) Tren de aterrizaje 464,4 [KN] 10% 595 Góndolas (sujeción de motores) Fuselaje -estabilizador vertical Ala traseraestabilizador vertical 7.5% 668,3 450 [KN/m] 12.5% 846,5 90 [KN] 10% 629,6 TOTAL 2739,4 (1245,2 kg) Columbus Defense 32
33 Envolvente del Cdg. Ley de combustible Cdg total fijo en 15.9 m Cumple requisitos de estabilidad Cdg del combustible variable Se juega con el consumo de combustible de cada tanque para mantener el cdg fijo Tanque ala Tanque ala delantera trasera Columbus Defense 33
34 Envolvente del Cdg. Ley de combustible HIPÓTESIS DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE Consumo de combustible uniforme en cada ala El cdg de cada tanque debe mantenerse constante Columbus Defense 34
35 Envolvente del Cdg. Ley de combustible POSICIÓN CDG DEL COMBUSTIBLE A LO LARGO DEL VUELO Columbus Defense 35
36 Envolvente del Cdg. Ley de combustible POSICIÓN CDG COMBUSTBLE A LO LARGO DEL VUELO (MISIÓN 3) Columbus Defense 36
37 Envolvente del Cdg. Ley de combustible COMBUSTIBLE EN CADA TANQUE (MISIÓN 3) Columbus Defense 37
38 Envolvente del Cdg. Ley de combustible COMBUSTIBLE CONSUMIDO DE CADA TANQUE (MISIÓN 3) Columbus Defense 38
39 Envolvente del Cdg. Ley de combustible POSICIÓN CDG COMBUSTBLE A LO LARGO DEL VUELO (MISIÓN 1) Columbus Defense 39
40 Envolvente del Cdg. Ley de combustible COMBUSTIBLE EN CADA TANQUE (MISIÓN 1) Columbus Defense 40
41 Envolvente del Cdg. Ley de combustible COMBUSTIBLE CONSUMIDO DE CADA TANQUE (MISIÓN 1) Columbus Defense 41
42 Tren de aterrizaje DISEÑO DEL TREN DE ATERRIZAJE Tren triciclo con doble rueda 2 ruedas en tren delantero (D=0,44 m; W=0,16 m) 2 trenes de 4 ruedas en principal (D=0,81 m; W=0,24 m) Hf = 0,47 m Hcdg = 3,87 m T = 4,4 m Columbus Defense 42
43 Tren de aterrizaje CUMPLE REQUISITOS LA COLA NO IMPACTA CON EL SUELO Porcentaje de peso máximo (despegue y aterrizaje) que soporta: Tren principal: 94% peso total entre 80-95% CUMPLE Tren delantero: 19% peso total entre 5-20% CUMPLE Velocidad máxima de taxy y radio de giro mínimo: Vmax = 23 knots, Rmin = 25 m entre 5-25 knots CUMPLE Estabilidad con viento cruzado de 50 knots y peso mínimo (en vacío) situación límite CUMPLE Columbus Defense 43
44 Propulsión Introducción Comparativa motores Característica del motor elegido Posiciones de palanca
45 Introducción Para volar a M = 0.5 P = hp
46 Comparativa Motores NOMBRE CONSUMO ESPECÍFICO [lb/hp h] PESO EN VACÍO [Kg] POTENCIA NOMINAL [hp] Turbodyne XT37 (escalado 1.2) Progress D , Kuznetsov NK12M (escalado 0.8)
47 Características Motores DIMENSIONES (E = 0.8) L = m D = m H = m V = m 3 CARACTERÍTICAS (E = 0.8) Peso en Vacío = Kg Potencia Nominal = hp
48 Posiciones de Palanca MISIÓN 1 (Surveillance / Interdiction) δt,to δt,cl δt,cr1 δt,cr2 δt,lt δt,d MISIÓN 2 (SAR / Low Altitude Patrol) δt,to δt,cl δt,cr1 δt,cr2 δt,lt δt,d MISIÓN 3 (Cargo Mission) δt,to δt,cl δt,cr1 δt,cr2 δt,lt δt,d
49 Posiciones de Palanca MISIÓN 4A (Human Transport) δt,to δt,cl δt,cr1 δt,cr2 δt,lt δt,d MISIÓN 4B (Med-Evac & Multi-Person) δt,to δt,cl δt,cr1 δt,cr2 δt,lt δt,d
50 Actuaciones Despegues (nominal y con fallo de motor) Subidas Cruceros Descensos Aterrizajes Consumos de combustibles por tramos Costes Diagrama carga de pago alcance Envolvente de vuelo Misión mejorada
51 Despegue Nominal MISIÓN 3 TRAMO RODADURA TRANSICIÓN DISTANCIA (m) Supera 35 ft (m) TRAMO RODADURA TRANSICIÓN DISTANCIA (m) Supera 35 ft (m)
52 Despegue Fallo de Motor MISIÓN 3 TRAMO RODADURA TRANSICIÓN DISTANCIA (m) Supera 35 ft (m) TRAMO RODADURA TRANSICIÓN DISTANCIA (m) Supera 35 ft (m)
53 Subidas γ [º] G [%] X [m] t [s] MISIÓN MISIÓN MISIÓN MISIÓN 4 (trans.) MISIÓN 4 (med.)
54 Cruceros Distancia [nmi] R MAX [nmi] Consumo [kg] t [h] MISIÓN MISIÓN MISIÓN MISIÓN 4 (trans.) MISIÓN 4 (med.)
55 Aterrizajes MISIÓN 3 TRAMO ACERCAMIENTO FLARE RODADURA DISTANCIA (m) TOTAL (m) TRAMO ACERCAMIENTO FLARE RODADURA DISTANCIA (m) TOTAL (m)
56 Consumos de Combustibles TRAMO CONSUMO COMBUSTIBLE (kg) TIEMPO DE VUELO (h) DISTANCIA RECORRIDA (km) CARGA DE PAGO (kg) MISIÓN MISIÓN MISIÓN MISIÓN 4 (versión trans.) MISIÓN 4 (versión med.)
57 Costes CAPM DOC MISIÓN 1 MISIÓN 2 MISIÓN 3 MISIÓN 4 (ver.transporte) MISIÓN 4 (ver.médica) CAPM (cent) DOC ( )
58 Envolvente de Vuelo ~ 8436 km
59 Carga de Pago - Alcance MISIÓN 3
60 Misión Mejorada Altura óptima ft MISIÓN 3 (crucero)
61 Misión Mejorada MISIÓN MEJORADA R = 2600 nmi V = 153 m/s h = ft DOC = MISIÓN ORIGINAL R = 2600 nmi V = 153 m/s h = ft DOC = AHORRO DEL 3.78% 1698
62 Estabilidad y control 1. Configuración longitudinal del avión. 2. Trimado longitudinal en vuelo de crucero: Incidencias. Geometría del elevador. α trim, δ e,trim, C D,trim. Derivadas de estabilidad. 3. Equilibrado lateral-direccional: Dimensionado del vertical. Dimensionado del alerón. Fallo de motor, viento cruzado y viraje nivelado. Derivadas de estabilidad. 4. Dinámica del avión. Columbus Defense 62
63 Configuración longitudinal X cg1 =12.83m X cg2 =21.09m X NA =16.53m Fijando SM=33.4% X cg =15.9m. Ubicadas las alas, el centro de gravedad depende del resto de elementos de estructuras. Ley de combustible Columbus Defense 63
64 Análisis del vuelo equilibrado Condiciones de vuelo: Altitud de ft y M=0.495 Punto de diseño: punto medio del crucero para la misión de carga Peso al despegue Departamento de Estructuras Incidencias: i 2 = -1.5 i 1 = 4.1 Departamento de Actuaciones Elevador 25% cuerda media 30% envergadura S e =5.00m S e S 2 =0.085 Columbus Defense 64
65 Análisis del vuelo equilibrado Derivadas de estabilidad: Dificultad en modelar el avión No existe estabilizador horizontal. Dos alas ligadas C L0 = C Lα = C Lδ e = C M0 = > 0 C Mα = < 0 C Mδ e = Centro de gravedad más adelantado= 15.44m. Determinado por potencia de control máxima en despegue Columbus Defense 65
66 Comparación con/sin carga de pago: Con carga de pago δ e Sin carga de pago Columbus Defense 66
67 Comparación con/sin carga de pago: Con carga de pago α Sin carga de pago Columbus Defense 67
68 Comparación con/sin carga de pago: C Dtrim Con carga de pago Sin carga de pago Columbus Defense 68
69 Estudio de trimado para distintas condiciones de vuelo: δ e Columbus Defense 69
70 Estudio de trimado para distintas condiciones de vuelo: α Columbus Defense 70
71 Estudio de trimado para distintas condiciones de vuelo: C Dtrim Columbus Defense 71
72 Dimensionado VTP Condicionado por 3 problemas: FALLO DE MOTOR VIENTO CRUZADO VIRAJE ESTACIONARIO LAS DIMENSIONES CARACTERÍSTICAS Pivota completamente Datos: S v = m 2 L e = 4 m Columbus Defense 72
73 Dimensionado Alerón Longitud del alerón 20 % de la semienvergadura del primer ala. Cuerda del alerón 25 % de la cuerda en cada posición de la envergadura. Columbus Defense 73
74 Equilibrado Lateral -Direccional Derivadas de estabilidad estática lateral-direccional: C yβ = < 0 C lβ = < 0 C nβ = > 0 C yδa = 0 C lδa = > 0 C nδa = < 0 C yδr = > 0 C lδr = > 0 C nδr = < 0 SE CUMPLEN LOS CRITERIOS DE ESTABILIDAD ESTÁTICA Alta potencia de control lateral Nota: Unidades empleadas 1/rad Columbus Defense 74
75 Equilibrado Lateral -Direccional Deflexiones de las superficies de control Fallo de motor (β = 0 ) Viento cruzado (β = 15 ) δ a = δ r = -4,1749 φ = δ a = δ r = φ = Cumple normativa Verifica el Margen de Potencia de control Viraje estacionario (φ = 33 ) δ a = δ r = β = Columbus Defense 75
76 Equilibrado Lateral -Direccional Deflexiones de las superficies de control δ a V β Columbus Defense 76
77 Equilibrado Lateral -Direccional Deflexiones de las superficies de control δ r V β Columbus Defense 77
78 Equilibrado Lateral -Direccional Deflexiones de las superficies de control φ V β Columbus Defense 78
79 Dinámica Derivadas de estabilidad longitudinales: C Lα = > 0 C Dα = C Mα = <0 C Lδ e = C Dδ e = 0 C Mδ e = C L α = C D α = 0 C M α = C Tx 1 = C D 1 C Tx u = 3C T x 1 C Lq = C Dq = 0 C Mq = < 0 C Lu = C Du = 0 C Mu = 0 C L1 = C D1 = C M1 = 0 C MT 1 = C M 1 C MT u = C MT α = 0 C Tx α = 0 Columbus Defense 79
80 Dinámica Modos longitudinales: Fugoide s ph = ± i [1/s] ω n = rad/s ξ = t 1 2 = s N 1 2 = T = 61.8 s δ = Corto Período s ph = ± i [1/s] ω n = rad/s ξ = t 1 2 = 2. 4 s N 1 2 = T = 8.48 s δ = MIL-F-8785C level 2 MIL-F-8785C level 1 Columbus Defense 80
81 Dinámica Plots longitudinales: Columbus Defense SL 81
82 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 82
83 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 83
84 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 84
85 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 85
86 Dinámica Derivadas de estabilidad lateral-direccionales: C Yp = C lp = <0 C np = C Yr = C lr = C nr = <0 C Y β = C l β = C n β = C YTβ = 0 C ntβ = 0 Columbus Defense 86
87 Dinámica Modos longitudinales: Balanceo Holandés s ph = ± i [1/s] ω n = rad/s ξ = t 1 2 = 21. 3s N1 2 = T = 13.3 s δ = Espiral s espiral = [1/s] T 2 = s MIL-F-8785C level 1 Convergencia en balance s balance = [1/s] = 3. 7 s T1 2 MIL-F-8785C level 2 Columbus Defense MIL-F-8785C level 3 87
88 Dinámica Plots lateral-direccionales: Columbus Columbus Defense Defense SL 88
89 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 89
90 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 90
91 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 91
92 Dinámica Columbus Columbus Defense Defense SL 92
93 Diseño 1. Evolución del diseño 2. Bodega de carga 3. Rampa trasera 4. Superficies de control 5. Sistemas 6. Sensores y equipos Columbus Defense 93
94 Evolución Columbus Defense 94
95 Bodega de carga Dimensiones definidas por los requisitos impuestos por el cliente en el RFP. Misión restrictiva: Transporte/Evacuación Dimensiones características Longitud total [m] 27,33 Envergadura [m] 35 Ancho máximo bodega [m] 3,65 Altura máxima bodega [m] 3,63 D eq máximo [m] 3,73 D eq mínimo [m] 3,38 Volumen de bodega [m 3 ] 173,9 Columbus Defense 95
96 Bodega de carga Misión humanitaria Capacidad de transporte Arroz 25 T Aceite 25 T Leche en polvo 25 T Medicamentos 25 T Mantas ud Ropa 15 T Tiendas de campaña 625 ud. Cajas de herramientas 625 ud. * Datos extraídos de Handbook for delegates. International Federation of Red Cross and Red Crescent Societies Columbus Defense 96
97 Rampa trasera Diseño optimizado para reducir el upsweep angle 8,91 o Objetivo: Minimizar la resistencia Uso de tail strakes C D se reduce un 3,3% Columbus Defense 97
98 Superficies de control Objetivo: Minimizar la resistencia Uso de flexsys de Flexfoil TM ΔC D0 =-12% Columbus Defense 98
99 Sistemas Columbus Defense 99
100 Sistemas Columbus Defense 100
101 Sistemas Columbus Defense 101
102 Sensores y equipos Columbus Defense 102
103 Columbus Defense 103
104 GRACIAS POR SU ATENCIÓN Ana Meroño Garnica Laura Susana Álvarez Mera Manuel Moreno Morón Jorge Narbona González José Manuel Carmona Romero José María Cruz Marín Enrique Hinojosa Mármol Juan Pérez González Daniel García Teba Julián Peral González Alberto Mañero Contreras Nuestro nombre de empresa SL 104 Columbus Defense
105 Aerodinámica POLAR DEL AVIÓN: COEFICIENTE DE OSWALD: Desglose C D0 : C D0,fuselaje = C D0, alas = C D0, vertical = C D0, góndolas = C D0, upsweep = C di trimado = C Dmis, LG = C D0, flaps, TO = C D0, flaps, LNDG = Diversos estudios sobre Box Wing: Best Wing System, Prandtl Non planar wing concept, Kroo Estudios CFD. Tunel de viento (e=1.23). Columbus Defense 105
106 Aerodinámica SMART SURFACE: Se trata de un nuevo tipo de superficie de composite que combina riblets con revestimiento elástico. Está inspirado en pieles de animales marinos y diseñados para que según las condiciones del flujo, este ínteractúe con la superficie de diferente forma. Columbus Defense 106
107 Selección de materiales Columbus Defense 107
108 Selección de materiales Columbus Defense 108
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