ASPECTOS RELEVANTES DEL DISEÑO DE PLANEADORES DE ALTA PERFORMANCE

ASPECTOS RELEVANTES DEL DISEÑO DE PLANEADORES DE ALTA PERFORMANCE

PLANEADOR DE ALTA PERFORMANCE TOMARÉ COMO EJEMPLO EL PLANEADOR CONCORDIA SILUETA

YA EN ESTA FOTOGRAFÍA SE PUEDEN OBSERVAR CARACTERÍSTICAS QUE ESTÁN PRESENTE EN LOS PLANEADORES DE ALTA PERFORMANCE: GRAN ENVERGADURA; GRAN ALARGAMIENTO; PLANO VERTICAL GRANDE; MUY PERFILADO; WINGLETS. FOTOGRAFÍA DEL CONCORDIA

FOTOGRAFÍA DE UN DESPEGUE LA TREMENDA FLEXIÓN DEL ALA CREA UN DIFÍCIL COMPROMISO ESTRUCTURAL Y DE LA CADENA DE MANDOS DE ALERONES Y FLAPS

EN ESTE DIBUJO SE APRECIA EL TREMENDO ALARGAMIENTO O RAZÓN DE ASPECTO, COMO TAMBIÉN SE LE DENOMINA: 57,2 Y UN PERFIL ALAR IGUAL A LO LARGO DE TODA EL ALA.

L/D 50 L/D 70 NO ES OFICIAL, PERO ES MUY REAL(CALCULADA POR EL AUTOR PARA EL TOMW, TAKE OFF MAXIMUN WEIGHT)

ALGUNOS DATOS HISTÓRICOS Participó en el Mundial de Uvalde, Texas terminando en el séptimo lugar. Es de un diseño y desarrollo totalmente nuevo. Sin embargo, sólo obtuvo un séptimo lugar compitiendo con el Quintus M (ganador), Nimbus 4 y alto-veleros similares. Concordia, palabra de raíz latina, significa armonía. En este proyecto precisamente buscaron, desde el primer día, armonizar todas las variables en juego, para maximizar su rendimiento. Así concluyeron la fórmula que comprende alargamiento, cuerda alar, perfil, resistencia, sustentación, carga alar y óptimo rendimiento a distintas velocidades. El resultado: un super planeador de la Clase Open, monoplaza, con 28 m. de envergadura y el peso máximo permitido de 850 kg. Tiene un rendimiento de diseño con lastre completo de L/D -lift drag- 1:70 a una velocidad estimada de 170 kph y a 210 kph su L/D de 1:50.

De las palabras destacadas en rojo en el cuadro anterior, podemos concluir que el ala es el componente clave que hace de un planeador un velero de alta performance. Los otros componentes de un planeador son obviamente indispensables; bien calculados, diseñados y construidos, acompañan al ala; parte que es el corazón aerodinámico de un velero de alta performance. Por lo tanto, esta presentación está centrada en el ala del planeador de competencia de último diseño

Qué esperamos de un ala? 1.- La menor resistencia inducida y parásita. 2.- La máxima sustentación sin aumentar las anteriores. 3.- El máximo L/D para todas las velocidades a las que se espera volar. 4.- Que sea maniobrable y estable. 5.- Que no tenga características adversas que hagan el vuelo más riesgoso que lo aceptable. Estudiemos entonces un ala. No puedo obviar entrar en algunas definiciones de parámetros para ver como afectan el comportamiento del ala. Aunque sean ultra conocidos, los definiré todos..

PLANTA DEL ALA Podemos decir que es su forma. Y redundando tiene que ver con la forma en que se distribuyen las fuerzas que actúan en el ala

DUODISCUS

ALARGAMIENTO O RAZÓN DE ASPECTO Superficie S = MAC c por envergadura b Alargamiento λ = b 2 /S = b 2 /b*c = b/c ya que S=b*c Nótese que es un número ya que el numerador y el denominador tienen la misma dimensión (largo dividido por largo) c b

LA RESISTENCIA AL AVANCE Es la suma de la Resistencia Inducida y la Resistencia Parásita Resistencia Inducida Es el castigo por producir sustentación. Las moléculas de aire del intradós del ala, en que hay presión, tratan de subir por el borde de ataque al extradós en que hay succión. Obviamente no lo logran debido a que el ala va avanzando. Entonces se forma un torbellino que avanza por el borde de ataque hasta la punta del ala generando resistencia al avance. Es por eso, especulando matemáticamente, en un ala de alargamiento infinito la resistencia inducida tiene valor 0. Esta es la razón por la que nuestro diseño es de valores altos de alargamiento o razón de aspecto, como también se le llama. Los últimos diseños llegan a valores superiores a 30. (Nimbus 4: 38,8; Concordia: 57,2)

Manifestación física de la Resistencia Inducida

El alargamiento, que es directamente proporcional a la envergadura, no es fácil llevarlo a valores extremadamente altos por razones estructurales y aumento de la resistencia parásita. Así nacieron los WINGLETS LOS WINGLETS Del dibujo anterior es fácil inferir que atenúan el torbellino de punta de ala, pero su mayor efecto está en que se obtiene con ellos un resultado más que equivalente a aumentar el alargamiento en la misma proporción. Ya tenemos entonces explicado el porqué de las alas de gran envergadura y poca cuerda y el efecto producido por los winglets. Veamos a continuación la Resistencia Parásita.

LAS RESISTENCIAS AL AVANCE REPRESENTADAS EN UN SISTEMA DE COORDENADAS ORTOGONALES R total R inducida R parásita V MD V LDMAX.

La Resistencia Parásita Es el castigo por movernos. Las moléculas de aire chocan y rozan contra las diferentes partes del planeador. Es obvio, entonces, que a mayor velocidad mayor resistencia parásita. Se logra llegar a valores aceptables utilizando formas delgadas, muy aguzadas y superficies muy pulidas. Los plásticos reforzados dominan por sus excelentes cualidades en este sentido y también por su resistencia estructural. Parece que no hay planeadores de alta performance fabricados con otros materiales.

EL PERFIL DEL ALA Todos sabemos lo que es el perfil alar. Definámoslo de todas maneras Es la sección de un corte de un ala perpendicular a su eje y paralela al eje vertical del planeador.

EVOLUCIÓN DE LOS PERFILES ALARES Los perfiles alares de la serie "DU utilizado en el Concordia han sido desarrollados en la Universidad Tecnológica de Delft, de Holanda.

No es fácil la selección del perfil para un diseño de planeador de alta performance. Más que cálculo son horas y horas de túnel de viento para encontrar un perfil que reúna las características deseadas. Cuáles son estas? 1.- Que produzca el máximo de sustentación con el mínimo de resistencia. Luego debe permitir ángulos de ataque altos asociados a baja velocidad, de tal manera que de por resultado el buen aprovechamiento de térmicas aún de baja potencia. 2.- Características de stall razonablemente amigables que no sorprendan al piloto produciéndose el desplome del planeador sin ninguna advertencia previa. 3.- Que produzca la sustentación deseada a muy pequeños ángulos de ataque asociados a altas velocidades. En resumen: gran rendimiento a baja y alta velocidad No es nada fácil. Veamos nuevamente el ala del Concordia

Espesor: 16% en la raiz, llegando a 12% en la punta Alargamiento: 57,2

El perfil es el mismo, pero nótese que con 4 espesores diferentes se ha logrado que no se produzca ningún torbellino en la unión del ala al fuselaje C L 1,2 C L 0,3 Los dibujos inferiores están basados en fotografías tomadas en el túnel aerodinámico de la Universidad de Delft. Se aprecia la limpieza de los filetes de aire. No se ve ningún torbellino, incluso para un alto C L.

MANIOBRABILIDAD

Todas las decisiones tomadas en el diseño dieron por resultado un aporte positivo desde el punto de vista de su maniobrabilidad, permitiendo aumentar al máximo su rendimiento a baja y alta velocidad. Dos parámetros primarios no dimensionales son usado para diseñar un planeador de clase "Abierta" con buenas condiciones de maniobrabilidad; éstos son los coeficientes de volumen de los estabilizadores horizontal y vertical. CVe = Coeficiente de Volúmen del Estabilizador Se calcula multiplicando el área del estabilizador incluyendo el elevador, por la distancia entre el centro aerodinámico (CA) del ala y el (CA) del estabilizador. El resultado de multiplicar una superficie por una longitud es un volúmen, por esto se le denomina coeficiente de volúmen. El valor es entonces dividido por el área del ala y la cuerda promedio del ala. Dividiendo por el área del ala lo hace relativo al área del ala (proporcional al área del ala) y dividiendo por la cuerda del ala, hace que se tenga un valor relativo a la cuerda (un porcentaje ó fracción del valor de la cuerda).- CVe = (Se * Le) / (Sa * C)

Donde: Se = Superficie del estabilizador Le = longitud del brazo de cola Sa = Superficie del ala C = Es la cuerda media aerodinámica del ala. Para el "Concordia", el volumen de los estabilizadores horizontal y vertical fue elegido basándose en un planeador diseñado previamente que era bien conocida su maniobrabilidad y estabilidad. Las superficies de comando y la longitud del "boom" del fuselaje para el "Concordia" fueron elegidos de un tamaño para obtener una maniobrabilidad similar e iguales características de estabilidad. Debido a la superficie de las alas reducida, los diseñadores del Concordia fueron capaz de lograr sus metas de maniobrabilidad prefijada con aproximadamente 15% menos de superficies de comandos que los planeadores monoplaza de clase "Abierta" actuales, y 20% menos que un planeador de clase "Abierta" biplaza, permitiendo así mejor rendimiento a alta velocidad.

FLAPS

El Concordia tiene flaps de +20 a -4

Los flaps extendidos cambian la curvatura del perfil y aumentan el coeficiente de sustentación C L y por lo tanto la sustentación producida por el ala. Pero, es fácil darse cuenta que aumentan al mismo tiempo la resistencia inducida y la resistencia parásita. Por tal razón, en posiciones positivas, sólo se utilizan en maniobras de baja velocidad que requieren alta sustentación como vuelo en térmicas, aproximación y aterrizaje y en algunos planeadores en el despegue y durante el remolque. En posiciones negativas su efecto es opuesto a lo dicho; disminuyen el C L, pero a la vez la resistencia inducida y la resistencia parásita. Por esta razón estas posiciones se emplean en vuelo traslacional de alta velocidad. En planeadores de alta performance de utilizan en el despegue para tener velocidad de control, especialmente lateral, más pronto y así evitar caídas de ala y pérdida de la dirección de despegue. Por razones obvias el despegue es más largo. Veamos en el gráfico siguiente que pasa con el L/D

(Sin flaps)

CARGA ALAR Se define como el peso que sustenta el ala por cada unidad de superficie. Volviendo a las características del Concordia: Superficie alar: 13,7 m 2 Con un MTOW de 850 Kg, la carga alar es de 62kg/m 2 y Con un MinTOW de 548 Kg, la carga alar es de 40Kg/m 2 Veamos que sucede con las polares de velocidad.

POLAR CON 548 KG DE PESO DE DESPEGUE

Efecto de la mayor carga alar en la polar Velocidad de Vuelo W=L=C lopt 1/2 ρ V 2 S Velocidad de Descenso

FLECHA DEL ALA El ala en flecha es una configuración alar común en los planeadores de alta performance.. La forma más común de ala en flecha es con los extremos de éstas dirigidos hacia atrás, en vez de formar un ángulo recto con el fuselaje, sin embargo, la configuración opuesta (con los extremos de las alas dirigidos hacia adelante) también se utiliza en algunos planeadores como el Discus y el DuoDiscus. Su efecto es disminuir la resistencia parásita por presentar una superficie menor al ataque de las moléculas de aire. El ala con flecha hacia delante tiene el mismo efecto que hacia atrás en términos de reducción de la resistencia, pero tiene otras ventajas en términos de control a baja velocidad, ya que el problema de entrada en pérdida de los extremos de las alas desaparece. En este caso, el aire a baja velocidad fluye hacia el fuselaje, que actúa como una placa o aleta de ala de gran tamaño En un planeador de alta performance la flecha negativa tiene serios problemas constructivos estructurales.

COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS DEL CONCORDIA CON EL NIMBUS 4 DUODISCUS NIMBUS 4 CONCORDIA País Alemania Alemania USA Diseñador Holighaus Holighaus Waibel,Butler, Dillinger Firma Schempp Hirth Schempp Hirth xx Envergadura 20 m 26,40 m 28 m Sup. Alar 16,42 m2 17,86 m2 13,7 m2 Alrgamiento 24,4 38,8 57,2 Perfil alar HQ-31-A xx DU05 Carga Alar 42,68 Kg/m2 42 Kg/m2 62 Kg Peso Vacío 410 Kg 470 Kg 493 Kg Lastre de H2O 290 Kg 300 kg 302 Kg MTOW 700 Kg 750 Kg 850 Kg Material Epoxi-carbono/kevlar Epoxi-carbono/kevlar Epoxi-carbono/kevlar Vne 263 Km/h 275 Km/h 300 Km/h???? L/D max. 45 a x Km/h 61 a 92 Km/h 70 a 150 Km/h Vmin des. 0,58 m/seg 0,38 m/seg 0,4 m/seg

PARA TERMINAR ALGUNAS FOTOGRAFÍAS

LA INFALTABLE COMPAÑERA