CÁLCULO DE AVIONES. Grupo 1

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1 CÁLCULO DE AVIONES Grupo 1

2 ÍNDICE 0. Empresa y Departamentos 1. Hidrógeno -1.1 Por qué hidrógeno? -1.2 Hidrógeno en el mundo 2. Diseño Evolución del diseño Diseño completo CAD 3. Propulsión Pilas de combustible Motor eléctrico Hélices Actuaciones Modelo propulsivo 4. Actuaciones Despegue Ascenso y Crucero Autonomía Crucero y Descenso Aterrizaje Diagramas P(V) Envolvente de vuelo 5. Aerodinámica Objetivos Perfiles Aerodinámicos Dimensionamiento del Ala Elementos hipersustentadores Curva Polar parabólica Aterrizaje 6. Estabilidad y control Configuración General Estabilizador Horizontal Estabilizador Vertical Trimado Longitudinal Trimado Lateral-Direccional Despegue con Motor Inoperativo Estabilidad Dinámica 7. Estructuras Estimación peso Almacenamiento LH2-7.3 Distribución de pesos Centro de gravedad Cargas aerodinámicas 8. Por qué elegir HaleHoop? 2

3 ÍNDICE 0. Empresa y Departamentos 6. Estabilidad y control 1. Hidrógeno 2. Diseño 7. Estructuras 8. Por qué elegir HaleHoop? 3. Propulsión 4. Actuaciones 5. Aerodinámica 3

4 0. EMPRESA Y DEPARTAMENTOS 4

5 0. EMPRESA Y DEPARTAMENTOS 5

7 1. HIDRÓGENO 1.1 Por qué H2? Elemento químico más ligero Gran variedad de procesos tecnológicos para su obtención Elemento más abundante en la Tierra 80 % Poder energético mayor al de los combustibles fósiles Energía limpia 7

8 1. HIDRÓGENO 1.2 Hidrógeno en el mundo 8

9 1. HIDRÓGENO 1.2 Hidrógeno en el mundo Empleos Millones $ 9

11 2. DISEÑO 11

12 2. DISEÑO 2.1 Evolución del diseño 12

16 2. DISEÑO 2.1 Evolución del diseño Diseño Primera Entrega Longitud fuselaje (m) 34.9 Diámetro fuselaje (m) - Envergadura ala (m) 64.5 Envergadura HTP (m) 21.5 Envergadura VTP (m) Diseño Segunda Entrega Longitud fuselaje (m) 27 Diámetro fuselaje (m) 2.7 Envergadura ala (m) Envergadura HTP (m) 15 Envergadura VTP (m) 5 Diseño Final Longitud fuselaje (m) 29.5 Diámetro fuselaje (m) Envergadura ala (m) Envergadura HTP (m) Envergadura VTP (m) Diseño Tercera Entrega Longitud fuselaje (m) 29.5 Diámetro fuselaje (m) 3 Envergadura ala (m) Envergadura HTP (m) Envergadura VTP (m)

17 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD Configuración General: 17

18 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD Fuselaje y Componentes Internos: 18

19 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD Detalle de la toma de aire para la refrigeración: 19

20 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD Detalle de la toma de aire para la refrigeración: 20

21 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD Grupo Alar: 21

22 2. DISEÑO 2.2 Diseño completo CAD HTP, VTP y Pods: 22

24 3. PROPULSIÓN 2.1 Pilas de combustible Symbio FCell Materiales: Fibra de carbono y aluminio Potencia: 340 kw Peso: 320 kg Rendimiento: 0,8 24

25 3. PROPULSIÓN 3.1 Pilas de combustible Green GT H2 Primer coche eléctrico en correr las 24 horas de Le Mans edición especial coches eléctricos(2012) Propulsado por hidrógeno Velocidad punta: 300 km/h 25

26 3. PROPULSIÓN 3.2 Motores eléctricos BMW i3 Primer coche eléctrico que se produce en serie Cero emisiones Autonomía: hasta 200 km Potencia: 125 kw 26

27 3. PROPULSIÓN 3.2 Motores eléctricos Lohner-Porsche Mixte Hybrid Primer coche híbrido de la historia, desarrollado en el año motores eléctricos con tecnología in-wheel de 14 hp cada uno 27

28 3. PROPULSIÓN 3.2 Motores eléctricos Hi-Pa Drive (Protean Electric) Motor incluido en la rueda 120 kw de Potencia Peso= 25kg 28

29 3. PROPULSIÓN 3.2 Motores eléctricos 29

30 3. PROPULSIÓN 3.3 Hélices Ivoprop Magnum Paso variable Muy ligera: Kg Diámetro: 1,79 m Rendimiento: 0,82 Fabricada en composites 30

31 3. PROPULSIÓN 3.5 Modelo propulsivo 31

32 3. PROPULSIÓN 3.5 Modelo propulsivo FADEC Motor CC Control Ancho de pulso Intensidad a motor Señal a pila de combustible 32

33 3. PROPULSIÓN 3.5 Modelo propulsivo 33

34 3. PROPULSIÓN 3.6 Mejoras Futuras: RAT Uso común: casos de emergencia Uso en HH TOP: generación de potencia extra con los conjuntos propulsivos que no estén en uso durante loiter y crucero 34

35 3. PROPULSIÓN 3.6 Mejoras Futuras: RAT En Crucero y Loiter RAT Motor Activo Motor Activo RAT

36 3. PROPULSIÓN 3.6 Mejoras Futuras: RAT Componentes del Sistema RAT Hélice Alternador Rectificador Batería

38 4. ACTUACIONES 4.1 Despegue Potencia Máxima Disponible 2400 kw Distancia de Rodadura 1529 m Distancia hasta los 50 ft 288,4 m TOTAL DESPEGUE 1817,4 m DESPEGUE PISTA MOJADA 2090 m 38

39 4. ACTUACIONES 4.2 Ascenso y crucero Ascenso Primer Tramo: ROC 3,86 m/s Segundo Tramo: ROC 2,95 m/s Tercer Tramo: ROC 1,49 m/s Distancia horizontal recorrida: 733,5 km Crucero ida Velocidad 142 m/s Distancia recorrida en crucero 2966,5 km Vuelo a C Lopt 39

40 4. ACTUACIONES 4.3 Autonomía Carga alar Velocidad - Inicial 2983,75 Pa - Final 2500,63 Pa - Inicial 137 m/s - Final 127 m/s Autonomía 37,5 horas 5 Tramos de 7,5 horas 40

41 4. ACTUACIONES 4.4 Crucero y Descenso Crucero de vuelta C Lopt Velocidad de crucero: 128 m/s Descenso Motor a ralentí Ángulo de planeo 0,76º Recorremos una distancia horizontal de 923,7 km

42 4. ACTUACIONES 4.5 Aterrizaje Motor a ralentí Fase de aproximación Flaps a 20º Fase de rodadura en pista - Flaps a 40º - C L =0 Distancias - Aproximación: 257,37 m - Flare: 73,3 m - Rodadura libre: 246,4 m - Segmento de frenado: 320,46 m Distancia total (factor de seguridad 1.666): 1495 m 42

43 4. ACTUACIONES 4.6 Diagramas P(V) Potencia Disponible/Potencia Necesaria Crucero 43

44 Potencia [W] 4. ACTUACIONES Potencia Disponible/Potencia Necesaria Loiter 5 x 106 Loiter Velocidad [m/s] 44

45 4. ACTUACIONES 4.7 Envolvente de vuelo 45

46 4. ACTUACIONES 4.8 Líneas de mejora Aumento de la autonomía Disminución de peso Menor cantidad de agua almacenada Aprovechamiento del sistema RAT Despegue con motor inoperativo Diseño menos conservativo 46

48 5. AERODINÁMICA 5.1 Objetivos PERFILES Dimensionamiento ala Dimensionamiento estabilizadores POLAR Actuaciones 48

49 5. AERODINÁMICA 5.2 Perfiles Aerodinámicos FX66H80 LNR

50 5. AERODINÁMICA 5.2 Perfiles Aerodinámicos S-3021 Modificado C lo 0.3 Espesor C lo

51 5. AERODINÁMICA 5.2 Perfiles Aerodinámicos Cl α (1/rad) 6.69 Cl max 1.62 Cl Cmo Cmα

52 5. AERODINÁMICA 5.2 Perfiles Aerodinámicos NACA 0015 HT VT Cl α (1/rad) 7.23 Cl max 1.37 Cl 0 0 Cmo Cmα 0 52

53 5. AERODINÁMICA 5.3 Dimensionamiento del Ala Tramos de diseño: CRUCEROS - LOITER Sustentación necesaria: W inicio loiter 0.7 W 0 Sustentación disponible: L disp = L ala + L HT DATOS AVIÓN: L HT L ala PESO DE DISEÑO: W0 53

54 5. AERODINÁMICA 5.3 Dimensionamiento del Ala C S wing =80m 2 L loiter 1 C Lmax = 1.35 c = 3m λ = 0.3 b = 41 m 54

55 5. AERODINÁMICA 5.4 Elementos hipersustentadores 20% Cuerda 45% Superficie Take Off 30º Slotted Flaps Landing 20º Landing 40º 55

56 CL 5. AERODINÁMICA 5.5 Curva Polar Parabólica E loiter Curva Polar Climb Cruise Loiter Descend Take-Off Landing CD

57 CL 5. AERODINÁMICA 5.5 Curva Polar Parabólica NO COMPENSADA Curva Polar No Compensada Climb Cruise Loiter Descend Take-Off Landing CD 57

58 5. AERODINÁMICA 5.6 Aterrizaje LONGITUD 7000 ft Suficiente? SÍ NO Timón de profundidad : δ<0 Spoilers Pista mojada: μ<< 58

60 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.1 Configuración general Cola tradicional Incidencia del ala: 3.28 o Sistema de control del CDG 60

61 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.2 Estabilizador horizontal Superficie: 13.6 m 2 Envergadura: 9.71 m Cuerda media: 1.4 m Alargamiento: Timón de profundidad Superficie: 36% del HTP Envergadura: 100% del HTP 61

62 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.3 Estabilizador vertical Superficie: 11 m 2 Envergadura: 6.29 m Cuerda media: 1.75 m Alargamiento:

63 6. ESTABILIDAD Y CONTROL Rudder Superficie: 30% del VTP Envergadura: 100% del VTP Alerones Envergadura: 30% del ala Superficie: 6 m 2 63

64 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.4 Trimado longitudinal Factor de carga: 1.05 Timón de profundidad: [4.35 o, 4.46 o ] Ángulo de ataque: [0.37 o, 0.73 o ] Resistencia de trimado=

65 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.5 Trimado lateral-direccional Resbalamiento: [ 2.67 o, 3 o ] Rudder: [5.3 o, 6.06 o ] Alerones: [-2.72 o, -3.1 o ] 65

66 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.6 Despegue con motor inoperativo Ángulo de balance: o Rudder: o Alerones: o 66

67 6. ESTABILIDAD Y CONTROL 6.7 Estabilidad dinámica Modos estables Modo espiral: inestable Cumplimiento MIL-F-8785C Elección punto de operación 67

69 7. ESTRUCTURAS 7.1 Evolución Kg First Sizing Método Multiplicadores Lineales Raymer y diseño 0 Marzo Mayo Junio 69

70 7. ESTRUCTURAS 7.2 Estimación Final RAYMER + DISEÑO Weight (kg) Wing 2722 Horizontal tail 208 Vertical tail 330 Main gear 399 Nose gear 170 Installed engine 548,44 Fuel system 2880 Fuselage 4381 Avionics and flight controls 350 Hydraulics 10 Electrical 3,351 TOTAL 12001,94 Laser 6000 Sensores 299,72 EMPTY WEIGHT 18301,16 LH TOGW 25301,16 Item Posición cdg en eje X (m) Wing 13,28 Horizontal tail 28,2 Vertical tail 28,2 Main landing gear 13,39 Nose landing gear 7,89 Installed engine 12 Fuselage 27,147 Fuel system A 4,267 Fuel system B1 27,747 Fuel system B2 28,247 Fuel system B3 14,75 Flight control and avionics 21 Hydraulics 19 Electrical 18 Laser 2,04 Sensores 28,2 LH2 15,657 Centro de gravedad (m) 13,

71 7. ESTRUCTURAS 7.2 Estimación Final x LH2 kg H 2 0 kg Peso kg Tiempo 71

72 7. ESTRUCTURAS 7.2 Estimación Final 20% TOGW EMPTY WEIGHT LH2 Carga de Pago Peso en Vacío 1% 15% 33% 0% 16% 0% 2% 24% 1% 2% 2% 1% 3% Wing Horizontal tail Vertical tail Main gear 22% 58% Nose gear Fuel system Installed engine Fuselage Avionics and flight controls Hydraulics Electrical Sensores Laser 72

73 7. ESTRUCTURAS 7.3 Sistemas eléctrico <250 metros cableado. Hasta 6 km de cable sin pérdida energética 73

74 7. ESTRUCTURAS 7.4 Tanque LH2 W tank 5% W propellant Fuselaje Tanque LH2 Masa (kg) Volumen (m 3 ) Diámetro(m) Longitud(m) Densidad(Kg/m 3 ) Total , ,700 8,4 46,9 372,87 Vacío 35425,379 34,682 8,4 46,9 1021,42 LH , ,820 70,682 LO , , ,020 Combustible , , ,634 Tank LH ,734 * 47,435 8,4 29,6 463,025 Tank LH2 Total , ,255 8,4 29,6 83,