AIRCRAFT DESIGN
Parte 1
MARIO ANDRES CORDOBA GONZALEZ
Ing. MARIO ANDRES CORDOBA G. Aeronautical and Electronics Design Engineer
DISEÑO DE LOS PLANOS ALARES EN
AERONAVES
Ing. MARIO ANDRES CORDOBA G. Aeronautical and Electronics Design Engineer
AIRCRAFT COMPONENTS
Ing. MARIO ANDRES CORDOBA G. Aeronautical and Electronics Design Engineer
GEOMETRIA ALAR
Ing. MARIO ANDRES CORDOBA G. Aeronautical and Electronics Design Engineer
GEOMETRIA ALAR
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WING PLANFORMS
b b2
AR
c S
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DEFINICIÓN DE PARÁMETROS
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DEFINICIÓN DE PARÁMETROS
• Angulo del borde de ataque - LE
• Angulo de ¼ de cuerda - 1/4
• Cuerda de la raíz – cr; cuerda de punta – ct
• Envergadura – b; área alar – S
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PARÁMETROS IMPORTANTES DE DISEÑO
S c r c t
b
2 Area alar. Aproximación
superficie alar.
b2
A Relación de Aspecto
S Aspect Ratio.
Relación de taper
ct
Taper ratio.
cr
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PARÁMETROS IMPORTANTES DE DISEÑO
S está definida como el area de la planta alar, proyectada
sobre un plano de referencia.
Podemos decir que S matematicamente es:
b
S (Cr Ct )
2
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VORTICES
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VORTICES
Formación Alar de Vortices
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VORTICES
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VORTICES
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VORTICES
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VORTICES
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VORTICES
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VORTICES
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COEFICIENTES AERODINAMICOS
L
Coeficiente de sustentación – 3D. cL
qS
Coeficiente de resistencia – 3D. D
cD
qS
Coeficiente de resistencia
2
inducido – 3D. cL
c Di
Ae
Coeficiente de resistencia
considerando downwash.
c D c Do c Di
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POTENCIA REQUERIDA PARA VUELO RECTO Y NIVELADO
PREQ D.V
Donde:
D= Drag
V= velocidad
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POTENCIA REQUERIDA PARA VUELO RECTO Y NIVELADO
El DRAG lo podemos definir como:
D CD .q.S
Donde la presión dinámica q se define como:
1
q .V 2
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COEFICIENT DE DRAG
Así el Coeficiente de DRAG (arrastre) será la sumatoria
de los coeficinetes de sustentación parasito e inducido:
CD CD0 CDi
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COEFICIENTE DE RESISTENCIA INDUCIDO
Depende de la relación de aspecto y del factor e. Para
mayores A, el drag inducido va a ser menor.
e : Oswald Efficiency Factor (Factor de Eficiencia de
Oswald).
2
cL
c Di
Ae
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FACTOR DE EFICIENCIA DE OSWALD
Este factor, e, nos dice que tan eficiente es el ala.
La eficiencia del ala se mida por la uniformidad de la
distribución de sustentación a lo largo de la
envergadura.
Para aeronaves actuales e esta en el rango de
0.7 < e < 0.9.
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FACTOR DE EFICIENCIA DE OSWALD
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FACTOR DE EFICIENCIA DE OSWALD ALA ELÍPTICA
e=1
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FACTOR DE EFICIENCIA DE OSWALD
La distribución de Lift no-eliptica producirá un Drag adicional y la
separación de flujo podrá ser valorada en terminos de la utilización del
factor de Oswald (e).
Este reducirá el AR, produciendo un valor para K de:
K=1\pi.AR.e
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GEOMETRIA DEL ALA
EN UNA AERONAVE UAV
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SELECCIÓN DE LA PLANTA ALAR
Plano alar eliptico: ala ideal, construcción costosa.
Plano alar rectangular: economico, progresion del patron de perdida es favorable,
Planos Taperados: forzados a un buen patron de perdida por el twist, aumento del
drag parasito. Aumentan el AR decrementando la resistencia inducida.
Planos Delta: vuelo regimen supersónico.
Una buena elección podría ser combinar dos clases de plantas alares, como por
ejemplo, la rectangular y la taperada.
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SELECCIÓN DE LA PLANTA ALAR
Para este caso en particular, la sección rectangular (interior) podrá ofrecer bajo
costo de fabricación y unas caracteristicas de patron de pérdida favorables. La
sección taperada (exterior) reduce el peso, e incrementa el AR decrementando el
drag inducido en la punta del plano alar.
Sección rectangular Sección taperada
b
2
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CUERDA GEOMETRICA PROMEDIO m.g.c.
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CUERDA GEOMETRICA PROMEDIO m.g.c.
2 2 1
m.g.c. c r
3 1
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ASPECT RATIO
Es la relación existente entre
la envergadura del ala y su
cuerda.
Una ala con alto valor de
ASPECT RATIO es aquella en
que la envergadura es varias
veces mayor que la longitud
de la cuerda.
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ASPECT RATIO
Para crear LIFT Y DRAG es
necesario tener presente al
áera alar.
Por tanto es importante
aclarar que dos alas con
identica area y aspect ratio
diferente mostrara´na
caracteristicas
aerodinámicas diferentes,
debido a la resistencia
inducida.
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ASPECT RATIO
El ASPECT RATIO en una
aeronave permite determinar
hasta donde puede esta volar
(alcance) con determinada
carga de combustible.
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ASPECT RATIO
GRAN ALCANCE
Valor alto de AR
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ASPECT RATIO
Efectos relacionados con el AR:
•Incremento en el peso, conforme se incrementa el AR (en
el mismo factor).
•Cambio en los angulos de ataque para perdida.
Debido al reducido angulo de ataque efectivo en las puntas
de las alas, un plano alar con bajo AR entrará en perdida a
mayor angulo de ataque que una ala con alto AR.
(ver la figura siguiente)
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ASPECT RATIO
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ASPECT RATIO
Lo anterior es una de las razones por la cuales los planos
de cola poseen un bajo valor de AR, lo cual retraza la
perdida en el plano de cola, asegurando el adecuado
control aerodinámico.
Inversamente, un plano Canard puede entrar en perdida
antes que el plano alar principal, esto es posible gracias a
que su AR es alto.
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ASPECT RATIO
Para aeronaves tipo Sailplane:
AR 4.464 best L D 0.69
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ASPECT RATIO
Para aeronaves tipo PROP:
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ASPECT RATIO
Valores estadisticos para una primera fase del diseño:
POPELLER AIRCRAFT AR
Homebuild 6.0
Single Engine 7.6
Twin Engine 7.8
Agricultural 7.5
Twin Turboprop 9.2
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ASPECT RATIO
Para aeronaves Jet:
AR a.M C
max
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ASPECT RATIO
Valores estadisticos para una primera fase del diseño:
JET AIRCRAFT AR
a c
Jet Trainer 4.737 -0.979
Jet Fighter 5.416 -0.622
Militar Cargo 5.570 -1.075
Jet Transport 7.50 0
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ASPECT RATIO
Para aeronaves con planos Canard:
10% a 25% dela rea total de LIFT.
AR: (AR estadistico dividido entre 0.9 a 0.75)
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ASPECT RATIO
Un alto ASPECT RATIO producirá una alta relación LIFT to
DRAG (L-D).
El ASPECT RATIO tiene efecto sobre las siguientes
características aerodinámicas de una aeronave:
•Drag Inducido
•La pendiente de la curva de Lift
•Peso
•Envergadura
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ASPECT RATIO
•DRAG Inducido vs AR:
Alas con altos valores de AR tiende a ofrecer bajos valores de
Drag inducido, y por consiguiente grandes valores de relaciones
L-D maximo.
Pero, esta ventaja hace que sea necesario el vuelo al grandes
altitudes o a bajas velocidades:
1
L . AR.e
2
D 4.C
D
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ASPECT RATIO
L . AR.e
2
D 4.C
D
CL L CD 0 . . Ae
1
2
D max
Wcruise
CLCruise
q.S
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ASPECT RATIO
•Pendiente de la Curva de Lift:
Planos alres con altos valores de AR mostrarán grandes
pendientes en la curva de Lift.
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ASPECT RATIO
•Incremento en el Peso:
Mayor cantidad de
costillas en el root debido
a las dimensiones
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ASPECT RATIO
•Envergadura:
Planos alares con altos valores de AR tiende a tener
grandes envergaduras:
b2
AR
S
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ASPECT RATIO
Resumen
Efectos del ASPECT RATIO (Resumen):
ITEM AR alto AR bajo
Drag Inducido bajo Alto
Pendinte curva de Alto Bajo
Lift
Peso alto Bajo
Envergadura grande pequeña
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ANGULO DE SWEEP
LE
Este ángulo es utilizado para
reducir los efectos adversos del
flujo transonico y supersonico.
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ANGULO DE SWEEP
LE
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ANGULO DE SWEEP
LE
1
Tan LE Tan C
4 A.1
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ANGULO DE SWEEP
LE
Un plano alar con flecha permite retrasar la creación de
regiones con flujo supersonico y ondas de choque.
Por consiguiente, la velocidad en el borde de atque de una
ala con flecha será:
V LE V . cos
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ANGULO DE SWEEP
LE
V . sin
V
V . cos
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ANGULO DE SWEEP
LE
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ANGULO DE SWEEP
LE
Existen algunas penalidades cuando se utiliza alas con
flecha. Una de ellas es el bajo valor de pendiente de la
curva de Lift:
dCL . AR
d AR
2
1 1
2. cos
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ANGULO DE SWEEP
LE
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ANGULO DE SWEEP
LE
Altos valores del AR y bajos valores del angulo de
flechamiento en vuelo a baja velocidad ofrecen altas
pendientes de la curva de sustentación y altos coeficientes
de sustenatción.
Bajos valores de AR y grandes anagulos de flechameinto
preoveen un alto rendimiento en vuelo transónico y
supersónico.
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ANGULO DE SWEEP
LE
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ANGULO DE SWEEP
LE
Algunos valores:
MD-83: 24.5 grados, M=0.71
Boeing 737: 25 grados, M=0.75
Airbus A-300: 28 grados, M=0.73
Fokker 100: 23 grados, M=0.77
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ANGULO DE SWEEP
LE
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TAPER RATIO
El TAPER RATIO es la relación entre la longitud de la
cuerda de la punta alar y la de la raiz.
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TAPER RATIO
Aquellas plantas alares con bajos angulos de
flechamiento poseen valores de TAPER RATIO entre
0.4 y 0.5.
Los planos alares con bastente flechamiento llegan a
tener TAPER RATIO entre 0.2 y 0.3.
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TAPER RATIO
El TAPER RATIO afecta la distribución del Lift a lo
largo de la envergadura del ala.
El Drag debido al Lift (Drag Inducido) se minimiza cuando
la distribucion de Lift sobre el ala es eliptica.
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TAPER RATIO
La alas con TAPER RATIO =1 possen cuerdas de
longitud constante a lo largo de la envergadura.
Esto causa una mayor generación de Lift, y
aproximadamente un 7% mas de Drag inducido.
Una planta alar con TAPER RATIO =0.45 minimiza
este efecto y hace que la distribucion se acerque a la
eliptica. Ver figura siguiente
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TAPER RATIO
Como resultado de observa una disminucion en el Drag de
aproximadamente 1% mas que en un palno alar eliptico
ideal.
Efectos del TAPER RATIO:
•Peso
•Tip Stall:
Planos alres con pequeños valores de TAPER RATIO tiende
a tener cortas longtitudes en la cuerda de la punta alar.
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TAPER RATIO
Esto implica bajos numeros de Reynolds y por consiguiente
bajos valores en el coeficiente máximo de Lift.
Esto podría conducir a generar un tip stall (ejemplo ala
Delta).
•Volumen de Combustible:
Altos valores de TAPER RATIO permiten llevar mayos
volumn de combustible en las alas.
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TWIST
El angulo del TWIST es usado para prevenir el tip stall
y reorganizar la distribución del Lift hacia una elipse.
Algunos valores típicos para el ángulo de TWIST estan entre
0 a 5 grados.
•TWIST GEOMETRICO:
Se define como el cambio del ángulode incidencia del perfil,
usualmente con respecto del pefil de la raiz alar.
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TWIST
•TWIST LINEAL:
El valor del ángulo de TWIST cambia en proporción a la
distancia desde el perfil de la raiz alar.
•TWIST AERODINAMICO:
Es el valor del ángulo entre el pefil de la punta (zero-lift-
angle) y el perfil de la raiz del ala (zero-lift-angle).
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TWIST
WASHOUT: Twist Negativo.
WASH-IN: Twist Positivo.
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ANGULO DE TWIST
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PENDIENTE CL VS AoA ()
La pendiente del
ala es menor a la
pendiente del perfil.
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PROYECTO DE DISEÑO DE UN UAV
Primera Parte
•Selección del Perfil Alar
•Diseño de la Planta Alar
•Selección del AR, TR, WL, Diedro,
b, Cr, Ct, LE.
Ing. MARIO ANDRES CORDOBA G. Aeronautical and Electronics Design Engineer
