Performance de la aeronave Parte 1ª.

Transcripción

1 Curso Básico y Avanzado para pilotos de RPAS Según el artículo 50.5.c, de la Ley 18/2014, de 15 de octubre. Performance de la aeronave Parte 1ª.

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3 Índice 1. PERFIL DE VUELO. PRINCIPIOS DE VUELO INTRODUCCIÓN A LA ATMÓSFERA Presión atmosférica Atmósfera estándar internacional, ISA Altitud de presión Altitud de densidad PRINCIPIOS BÁSICOS DEL VUELO Leyes del movimiento de Newton El efecto Magnus Principio de Bernoulli DISEÑO DE PERFILES AERODINÁMICOS Criterios de diseño: forma Criterios de diseño: distribución de presiones Criterio de diseño: comportamiento VÓRTICES DE PUNTA ALAR...14 Performance de la aeronave 3

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5 1. PERFIL DE VUELO. PRINCIPIOS DE VUELO Para controlar una aeronave de cualquier tipo, el piloto debe entender los principios físicos del vuelo y las fuerzas que actúan sobre ella, y aprender a utilizar a su favor o a contrarrestar los efectos de esas fuerzas Introducción a la Atmósfera La atmósfera es la capa más exterior de la Tierra y es de naturaleza gaseosa. Está constituida por una mezcla de gases en proporciones fijas a la que denominamos aire, en la que aproximadamente el 78% de la masa es nitrógeno, el 21 % oxígeno y el 1% restante, otros gases como argón, dióxido de carbono, etcétera. Además contiene cantidades variables y que pueden llegar a ser muy significativas, de vapor de agua. El aire, como ocurre con cualquier otro gas, es un fluido de muy baja conexión, que llena por completo el espacio a que accede y que se contrae y expande para adecuar su forma a la de los límites de su contenedor Presión atmosférica El aire, como cualquier otra sustancia, posee masa y por tanto se ve afectado por la atracción gravitatoria. Esta atracción se manifiesta en forma de una fuerza denominada peso, fuerza que, por tratarse de un fluido, se ejerce con la misma intensidad en todas direcciones y afecta a los cuerpos que se encuentran en el interior del fluido (el aire, en la caso que nos ocupa). El efecto del peso del aire sobre las superficies de los objetos con los que está en contacto se siente como presión. En el caso del aire, hablaremos de presión atmosférica. La presión atmosférica es uno de los factores fundamentales que afectan al vuelo, es también la responsable de buena parte de los fenómenos meteorológicas y es el parámetro que miden algunos de los instrumentos o sensores a borde de una aeronave, como son el indicador de velocidad del aire, el altímetro, etcétera Atmósfera estándar internacional, ISA La presión atmosférica varía localmente y a lo largo del tiempo. Con el fin de establecer poder calibrar instrumentos y para la realización de otra medidas comparables entre sí, se ha definido una atmósfera estándar como referencia. La atmósfera estándar a nivel del mar, se caracteriza por unas condiciones de temperatura del aire de 15 C y una presión atmosférica de 1.13,2 mb (milibares), equivalentes a 29,92" Hg (pulgadas de mercurio). Performance de la aeronave 5

6 En condiciones estándar, la temperatura desciende con la altura, a razón de 2 C cada ft (pies; aproximadamente, 300 metros), hasta alcanzar los pies, donde el aire se encuentra a -55 C. Desde ese punto, la temperatura de la atmósfera permanece constante hasta los pies. En cuanto a la presión, disminuye también con la altura, a razón de aproximadamente 1 "Hg cada pies, hasta los pies (3.048 metros). El modelo teórico de atmósfera descrito es el establecido por la OACI como estándar mundial y se denomina Atmósfera Estándar Internacional (ISA, del inglés International Standard Atmosphere). Distribución de temperaturas y presiones en la ISA Los instrumentos de una aeronave se calibran para condiciones de atmósfera normalizada, por lo que es necesario conocer cómo interpretar los datos que proporcionan en otras condiciones de presión y temperatura. Los parámetros que se estudian a continuación apenas afectan a las condiciones de vuelo de los RPAS de menos de 25 kilos, pero son conceptos que todo piloto debe cononcer. Performance de la aeronave 6

7 Altitud de presión La altitud de presión es la altura medida sobre el plano teórico (SDP, standard datum plane) en el que la presión de la atmósfera medida con un barómetro es de 1.013,2 milibares, que es la presión ISA a nivel del mar. Los altímetros son un tipo de barómetro calibrado para indicar alturas en condiciones de atmósfera estándar. Al ajustar el reglaje de un altímetro para 1.013,3 mb SDP, las altitudes leídas serán altitudes de presión. Estos valores podrán estar por encima o por debajo del valor real de altitud, en función de si la presión atmosférica en el lugar es más baja o más alta de la teórica según la ISA. La presión atmosférica es un factor que afecta al desempeño de la aeronave, por lo que puede ser necesario tenerla en cuenta para realizar determinadas operaciones con RPAS Altitud de densidad La altitud de densidad es la distancia vertical sobre el nivel del mar a la que se encuentra loa densidad registrada si las condiciones son de atmósfera estándar. La densidad del aire (cantidad de materia por unidad de volumen) afecta significativamente al desempeño de una aeronave. Al reducirse la densidad, también se reduce:! La sustentación, puesto que el aire ejerce una menor presión sobre las superficies aerodinámicas.! La propulsión, puesto que las hélices son menos eficientes en aire poco denso.! La potencia en el caso de motores de combustión interna, puesto que hay menos aire disponible para la mezcla. Como las aeronaves vuelan en una atmósfera no estándar, es necesario tener también en cuenta el efecto de los cambios esperables de densidad sobre los datos de rendimiento de la aeronave, normalmente calculados en función de una altitud de densidad teórica SDP. La altitud de densidad es la altitud de presión corregida para temperaturas que no se ajustan a la ISA. Se relaciona con el desempeño de la aeronave de forma inversa, de manera que, cuando la altitud de densidad aumenta (descenso en la densidad del aire), el desempeño decae por las razones vistas más arriba. y viceversa. Para un punto dado, la altitud de densidad aumenta al disminuir la densidad del aire y ésta última está condicionada por la temperatura y la presión. Así, la densidad del Performance de la aeronave 7

8 aire guarda una relación directa con la presión e inversa con la temperatura, por lo que una misma altura de presión puede darse en un rango muy amplio de temperaturas, si la densidad del aire varía. En todo caso, el efecto de la presión es determinante y puesto que la presión atmosférica desciende al ascender, es esperable por parte del piloto un descenso de la densidad del aire en altura. En el caso de los RPAS, esto es algo a tener en cuenta, en el caso de operaciones que deban realizarse en zonas ubicadas en lo alto de montañas, por ejemplo. Independientemente de la altitud a la que vuele la aeronave, su performance será la que tendría si volara a una altura igual a la altura de densidad, no la esperable a la altitud que marque el altímetro. Estos efectos son evidentes también en las pequeñas aeronaves, como los RPAs que pilotan aquellos a quien se dirige este curso. Además de por la presión y la temperatura, la humedad es otro de los factores que alteran la densidad del aire. El vapor de agua es más ligero que el aire, por lo que, para unas mismas condiciones de presión y temperatura del aires, un alto contenidos en humedad hace que la densidad disminuya. Las altitudes de presión y de densidad deben ser tenidas en cuenta a la hora de estimar la performance de una aeronave Principios básicos del vuelo Leyes del movimiento de Newton La Pimera Ley de Newton dice que un objeto en reposo o en movimiento uniforme y rectilíneo permanecerá en este estado mientras no se le aplique una fuerza. La manifestación de esta ley física es el fenómeno denominado inercia. Performance de la aeronave 8

9 En el caso de las aeronaves, este principio es el que hace necesario el empuje que ejerce la planta motriz, por ejemplo, tanto para ponerla en movimiento, como para la realización de cualquier maniobra, particularmente en las que implican algún cambio de rumbo, que normalmente llevan acarreado un cierto "deslizamiento" derivado de la tendencia del vehículo a seguir una trayectoria rectilínea. La Segunda Ley de Newton explica lo que le ocurre a un cuerpo cuando se le aplica una fuerza y los cambios que experimente su momento lineal en función del tiempo (aceleración). Su enunciado dice que, el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según una línea recta a lo largo de la cual se imprime esa fuerza. De acuerdo con esta ley, la aceleración que se le imprime a un cuerpo al aplicarle una fuerza es directamente proporcional a la magnitud de ésta e inversamente proporcional a su masa. Esta ley explica el balance de fuerzas necesario para los cambios de velocidad y dirección, tanto en el caso de aceleraciones positivas (carrera de despegue, giros), como en el de las aceleraciones negativas o deceleraciones (frenada, parada). La Tercera Ley de Newton se resume en el efecto de acción-reación: para toda acción, hay una reacción de la misma magnitud y sentido opuesto. Cuando la hélice impulsa el aire hacia su parte trasera, éste la impulsa a su vez hacia adelante, con la misma intensidad, provocando que el avión (que está unido a la hélice) avance El efecto Magnus El científico alemán Heinrich Gustav Magnus estudio durante el siglo XIX los efectos de las fuerzas aerodinámicas sobre esferas y cilindros, observando cómo la rotación de un objeto inmerso en un fluido con flujo laminar (el aire, por ejemplo) afecta a la velocidad del fluido alrededor del objeto. Cuando un objeto cilíndrico o esférico gira dentro de un fluido el flujo de éste último del objeto se ve afectado debido a la resistencia causada por la viscosidad del propio fluido y por la fricción contra la superficie del objeto. La viscosidad de un fluido puede definirse como la resistencia a fluir. No hay que confundirlo con la densidad (la masa por unidad de volumen). Por ejemplo, el aceite es menos denso que el agua, pero es mas viscoso. La mayor o menos viscosidad condiciona la facilidad con la que un fluido se mueve alrededor de un objeto y genera una fuerza de resistencia que se opone al movimiento de éste, debida a una cierta adherencia a su superficie. Performance de la aeronave 9

10 Aunque muy baja, es aire también posee viscosidad, por lo que ofrece cierta resistencia al movimiento de las aeronaves. En cuanto a la fricción, es la resistencia que una superficie u objeto encuentra cuando se mueve sobre otro con el que está en contacto. En el caso de un objeto moviéndose respecto a un fluido, la fricción se produce entre el propio fluido y la superficie del objeto. La fricción está muy condicionada por la rugosidad de las superficies. Una superficie rugosa dificulta el flujo sobre ella, provocando una reducción en la velocidad, debido a procesos de disipación de la energía. En el caso de una esfera o cilindro en movimiento rotatorio dentro de un fluido con flujo laminar, por efecto de la viscosidad, las moléculas del fluido que se encuentran en la superficie límite (en contacto con la superficie del objeto) resultan arrastradas por el movimiento del objeto y sufren una aceleración. Esto da lugar a un descenso de presión en las zonas en las que la velocidad del fluido es más alta y a un aumento en la opuesta, generándose una fuerza resultante, perpendicular a las líneas de flujo. Performance de la aeronave 10

11 Principio de Bernoulli El principio de Bernoulli explica las variaciones de presión en un fluido en movimiento, provocadas por los cambios de velocidad. Así, la presión en el seno de un fluido disminuye al aumentar la velocidad y viceversa. Este principio explica lo que ocurre con el aire cuando circula sobre el extradós de un ala. Cuando una ala se desplaza dentro del aire, la velocidad del flujo es mayor en la superficie curvada de la parte superior, al tener que recorrer una mayor distancia que en el caso de la parte inferior del ala, en un mismo tiempo. Esto provoca una disminución de la presión en la parte superior y una fuerza resultante vertical y hacia arriba, que denominamos sustentación. Otra consecuencia del principio de Bernoulli es el efecto venturi, que explica la depresión que se produce como consecuencia de la aceleración de un fluido al atravesar un estrechamiento de un conducto. Este efecto se aprovecha en los carburadores, para aspirar el combustible que se mezcla con el aire, y debe ser tenido en cuenta en vuelos con RPAS dentro de valle, gargantas y collados, por los que se puede canaliza el viento y producirse un aumento en su intensidad y una disminución en la presión atmosférica, factores ambos que afectan a la performance de la aeronave. Performance de la aeronave 11

12 1.3. Diseño de perfiles aerodinámicos Un perfil aerodinámico, como es un ala, es una estructura diseñada para obtener una reacción sobre sus superficie, por parte del aire por el que se desplaza. En el caso de las superficies aerodinámicas de una aeronave, la reacción buscada es la fuerza de sustentación, como consecuencia de una presión negativa en la parte superior de la estructura y una positiva en la inferior. Por otro lado, las alas o las palas de una hélice están dispuestas formada un pequeño ángulo respecto a su dirección de movimiento. De esta forma, la corriente de aire, al incidir sobre el borde de ataque del ala es obligada a introducirse bajo la superficie, provocando una reacción en forma de sustentación. Al mismo tiempo, el flujo de aire que incide sobre la sección curva de la parte superior de este mismo borde resulta deflectada hacia arriba. Cuando la resultante de las fuerzas que generan sustentación es mayor que el peso de la aeronave, ésta puede volar. Para lograr esto, no suele ser suficiente con el mecanismo que acabamos de describir (y que describe el principio de vuelo de las cometas, por ejemplo), sino que es necesario añadir la contribución de otros procesos aerodinámicos, como los vistos en el capítulo anterior y que tienen como aspecto clave, el flujo del aire por la superficie superior del ala Criterios de diseño: forma Centrándonos en el diseño de las alas, debe ajustarse a las características (peso, velocidad) y al propósito de cada aeronave. La forma más eficiente desde el punto de vista de la sustentación es aquella cuya superficie inferior es cóncava. Sin embargo, esta forma alar es inadecuada para los requisitos de velocidad de buena parte de la aviación comercial actual, al generar una alta resistencia. Por otro lado, los diseños muy estilizados ofrecen una muy baja resistencia al viento, pero también poca sustentación. La solución a los problemas de diseño que se plantean pasa por formas intermedias entre los extremos y por añadir dispositivos a las alas que modifiquen su geometría según las necesidades de cada fase del vuelo. Así, la incorporación de flaps en ambos bordes del ala, permiten que la forma de esta se aproxime al ideal cóncavo, cuando se busca obtener mucha sustentación en las fases del vuelo en el que este se realiza a bajas velocidades, como durante el despegue y el aterrizaje. Performance de la aeronave 12

13 Ala con los flaps desplegados Criterios de diseño: distribución de presiones La distribución de las presiones sobre la superficie alar se puede variar modificando el ángulo e ataque (el ángulo que forma la cuerda del ala con la dirección del aire incidente). Distribución de presiones y cambios en el centro de presiones según el ángulo de ataque El conjunto de variaciones de presión (fuerzas) que se aplican sobre una superficie aerodinámica generan una fuerza resultante sobre un punto denominado centro de presión, a través del cual actúan las fuerzas aerodinámicas. Cuando el ángulo de ataque es negativo, el centro de presión se desplaza hacia atrás, mientras que lo hace hacia adelante en el ala, cuando el ángulo es positivo. De esta manera, el balance aerodinámico (incluida la sustentación) y el control de la aeronave puede realizarse controlando a su vez los cambios en el centro de presión. Además, los desplazamientos del centro de presión deben ser muy tenidos en cuenta a la hora del diseño de la estructura de las alas y del fuselaje, puesto que van a afectar a la distribución de los esfuerzos causados por la presión del aire, en condiciones de alto y bajo ángulo de ataque. Performance de la aeronave 13

14 Criterio de diseño: comportamiento Como venimos viendo, la generación de sustentación es un proceso mucho más complejo que la simple diferencia de presiones entre las superficies de un ala. De hecho, muchas superficies aerodinámicas tienen una sección de forma simétrica, como ocurre con las palas de muchos helicópteros o de las alas de los aviones supersónicos. En estos ejemplos, la sustentación se genera simplemente al variar el ángulo respecto al de incidencia del flujo de aire, como hacemos cuando queremos que nuestra mano "vuele" al sacarla por la ventanilla de un automóvil en marcha. Al modificar el ángulo de la mano, provocamos la deflacción completa del flujo de aire, que provoca un cambio en la magnitud y dirección de la resultante de las fuerzas que inciden sobre la superficie aerodinámica, generando sustentación Vórtices de punta alar Aunque la mayor parte de la sustentación en una superficie aerodinámica se produce como consecuencia del flujo de aire por las superficies inferior y superior, los fenómenos aerodinámicos que se producen en los extremos también resultan relevantes. La alta presión que se genera en la parte inferior de un ala, empuja el aire situado en las proximidades del extremo longitudinal, que se desplaza a su alrededor hacia la parte superior, donde la presión es menor. Vórtices en los extremos de las alas Performance de la aeronave 14

15 Esto da lugar a vórtices tras el ala, que generan turbulencia y merman la sustentación en la parte afectada de la superficie. Para contrarrestar este efecto indeseado, se han desarrollado diversos diseños para esta zona, como los que conllevan un estrechamiento, y dispositivos como los winglets, que interrumpen el flujo de aire hacia el extradós. RPA equipado con winglets Performance de la aeronave 15