AMO GARRIDO, Esteban (C/ Santa Hortensia 43 8E, Madrid, E-28002, ES)
VELA ORGE, Pilar (C/ Maestro Turina, 3 Aranjuez, Madrid, E-28300, ES)
PASCUAL FUERTES, Angel (Avda. de la Ermita 2, Portal D 2, Alcobendas Madrid, E-28108, ES)
AMO GARRIDO, Esteban (C/ Santa Hortensia 43 8E, Madrid, E-28002, ES)
VELA ORGE, Pilar (C/ Maestro Turina, 3 Aranjuez, Madrid, E-28300, ES)
| REIVINDICACIONES 1 . - Un método para diseñar un ala truncada (25) en relación con un ala de referencia (23) a escala completa en una maqueta de aeronave (17) cuya configuración también comprende un fuselaje (21 ) y componentes adicionales en su parte trasera para llevar a cabo investigaciones de flujo en torno a dichos componentes adicionales en un túnel de viento de anchura W, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) obtener la distribución inicial de sustentación ln y la distribución adicional de sustentación an en el ala de referencia (23); b) definir la longitud L1 del ala trucada (25) en el eje Y; c) obtener la distribución de cuerdas del ala truncada (25) reconstruyendo la distribución adicional de sustentación an en el ala de referencia (23) a lo largo del ala truncada (25); d) obtener la distribución de torsiones del ala truncada (25) reconstruyendo la distribución inicial de sustentación ln en el ala de referencia (23) a lo largo del ala truncada (25); e) mantener los perfiles, la geometría del borde de ataque y la distribución relativa de espesor del ala de referencia (23) en el ala truncada (25). 2. - Un método para diseñar un ala truncada (25) según la reivindicación 1 , caracterizada porque su longitud L1 es menor que el 75% de la anchura W del túnel de viento. 3. - Un método para diseñar un ala truncada (25) según la reivindicación 1 , caracterizada porque dichos componentes adicionales incluyen un estabilizador horizontal de cola (29). 4.- Una maqueta de aeronave (17) para ensayos en un túnel de viento (1 1 ) de anchura W, cuya configuración comprende un fuselaje (21 ), un ala y componentes adicionales en la parte trasera de la aeronave de una longitud máxima L2 en el eje Y, caracterizada porque es una maqueta completamente a escala salvo en que tiene un ala truncada (25) de una longitud L1 menor que la longitud L de un ala completamente a escala (23) pero que produce la misma estela que llega a dichos componentes adicionales. 5. - Una maqueta de aeronave (17) según la reivindicación 4, caracterizada porque dicha ala completamente a escala (23) y dicha ala truncada (25) tienen similares distribuciones de sustentación (35, 37) a lo largo al menos de la máxima longitud L2 en el eje Y de cualquier componente de la parte trasera de la aeronave. 6. - Una maqueta de aeronave (17) según cualquiera de las reivindicaciones 4-5, caracterizada porque dichos componentes traseros de la aeronave incluyen un estabilizador horizontal de cola (29). |
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a maquetas a escala de aeronaves que se usan en túneles de viento para analizar sus propiedades aerodinámicas y más particularmente a maquetas a escala de aeronaves para analizar las propiedades aerodinámicas de las colas y el fuselaje trasero de aeronaves.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
La actuación de superficies móviles de aeronaves tales como colas verticales, estabilizadores de cola, ó timones dispuestos en la parte trasera de la aeronave es uno de los aspectos más importantes en el diseño global de aeronaves. Esas superficies se usan como superficies de control, por ejemplo un estabilizador de cola se usa para controlar el cabeceo y un timón se usa para controlar la guiñada. Por tanto su comportamiento define las leyes de control de la aeronave y las restricciones de diseño.
Cuando se diseñan los elementos que componen una aeronave, tales como el fuselaje, las alas, los estabilizadores, etc. es necesario conocer las propiedades aerodinámicas de dichos componentes. Dado el gran tamaño de las aeronaves, los ensayos aerodinámicos se realizan con maquetas a escala que reproducen la aeronave entera o al una menos una parte de ellas y esas maquetas a escala se someten a ensayos en un túnel de viento.
Esos ensayos son particularmente importantes para la parte trasera de la aeronave porque es difícil obtener modelos analíticos completos de su comportamiento aerodinámico ya que la parte trasera de la aeronave está afectada por otras partes de la aeronave y particularmente por el ala de la aeronave. Por ejemplo, puede sufrir una perdida de la presión dinámica de la corriente incidente debido a los efectos causadas por el ala que es difícil tener en cuenta usando los modelos analíticos convencionales.
Aunque los resultados obtenidos actualmente en los ensayos en túneles de viento permiten un buen conocimiento del comportamiento aerodinámico de las colas y otros componentes de la parte trasera de la aeronave, como se producen a un número de Reynolds mucho menor que el número de Reynolds en condiciones reales de vuelo, el escalado de sus resultados es por tanto difícil a veces.
La presente invención está orientada a la solución de ese inconveniente.
SUMARIO DE LA INVENCION
Es un objeto de la presente invención proporcionar una metodología de diseño de un ala que, partiendo de un ala de referencia en una maqueta de aeronave, desarrolla un ala diferente, truncada y torsionada, con una envergadura más pequeña, que permita incrementar la máxima escala de la maqueta de aeronave produciendo un número de Reynolds más alto durante ensayos en túneles de viento, al efecto de que el tamaño del ala de la maqueta de aeronave no sea el factor que limite la escala de la maqueta.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar una maqueta de aeronave para ensayos en túnel de viento que permite mejorar los resultados obtenidos en las investigaciones relativas al flujo en torno a las colas y el fuselaje trasero.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar una maqueta de aeronave para ensayos en túnel de viento que permite optimizar el coste de las investigaciones relativas al flujo en torno a las colas y el fuselaje trasero.
En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando un método para diseñar un ala truncada en relación con un ala de referencia a escala completa en una maqueta de aeronave cuya configuración también comprende un fuselaje y componentes adicionales en la parte trasera de la aeronave para llevar a cabo investigaciones de flujo en torno a dichos componentes adicionales en un túnel de viento de anchura W que comprende los siguientes pasos:
- Obtener la distribución inicial de sustentación l n y la distribución adicional de sustentación a n en el ala de referencia.
- Definir la longitud L1 del ala trucada en el eje Y.
- Obtener la distribución de cuerdas del ala truncada reconstruyendo la distribución adicional de sustentación a n en el ala de referencia a lo largo del ala truncada.
- Obtener la distribución interior de torsiones del ala truncada reconstruyendo la distribución inicial de sustentación l n en el ala de referencia a lo largo del el ala truncada.
- Mantener los perfiles, la geometría del borde de ataque y la distribución relativa de espesor del ala de referencia en el ala truncada.
En otro aspecto, los objetos mencionados anteriormente se consiguen proporcionando una maqueta de aeronave cuya configuración comprende un fuselaje, el ala y componentes adicionales en la parte trasera de la aeronave, que es una maqueta construida con la máxima escala permitida por las dimensiones de la sección transversal del túnel de viento con la excepción de que tiene un ala truncada de una longitud L1 menor que la longitud L del ala completamente a escala pero que produce la misma estela que llega a dichos componentes traseros adicionales de la aeronave.
En una realización preferente, la geometría de dicha ala truncada produce una distribución de sustentación similar a la producida por un ala completamente a escala a lo largo al menos de la máxima longitud L2 en el eje Y de cualquier componente de la parte trasera de la aeronave. Se consigue con ello una maqueta de aeronave lo más grande posible en la parte trasera de la aeronave para mejorar los resultados de los datos del túnel de viento.
Otras características y ventajas de la presente invención se harán evidentes de la siguiente descripción detallada de las realizaciones, ilustrativas de su objeto, junto con las figuras adjuntas. DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en planta de una maqueta de aeronave completamente a escala.
La Figura 2 es una vista esquemática en planta de una maqueta de aeronave según la presente invención.
La Figura 3 es una vista esquemática de la estela producida por el ala de la aeronave.
La Figura 4a es una vista en planta de un ala completamente a escala y la Figura 4b es una vista en planta de un ala truncada según la presente invención.
La Figura 5 muestra las distribuciones de sustentación de un ala completamente a escala y de un ala truncada.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Actualmente el diseño de aeronaves se realiza usando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y Ensayos en Túnel de Viento (WTT).
Los túneles de viento son instalaciones en las que se puede analizar el comportamiento aerodinámico de una maqueta a escala de una propuesta de aeronave. Son estructuras en el que se produce viento, mediante normalmente un gran ventilador, para circular en torno al modelo a escala que está conectado a instrumentos que miden y registran el flujo de aire a su alrededor y las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre él. La información obtenida en los túneles de viento se usa para caracterizar el comportamiento de la aeronave en diferentes condiciones de flujo y permite por ello mejorar su diseño.
La maqueta de aeronave se dispone en el túnel de viento con una instrumentación apropiada para proporcionar los datos requeridos. Para obtener datos significativos, los parámetros del flujo del número de Mach y del número de Reynolds en el túnel de viento deben corresponderse con las condiciones reales de vuelo de la aeronave.
El número de Reynolds expresa la relación entre fuerzas inerciales (resistentes al cambio o movimiento) y fuerzas viscosas (pesadas y adhesivas). A partir de un detallado análisis de la ecuación de conservación del momento, las fuerzas inerciales pueden expresarse como producto de la densidad r por la velocidad V por el gradiente de la velocidad dV/dx. Las fuerzas viscosas se expresan como el coeficiente de viscosidad mu por el segundo gradiente de la velocidad d A 2V/dx A 2.
El numero de Reynolds es pues:
Re = (r * V * dV/dx) / (mu * d"2V/dx A 2)
Re = (r * V * L) /mu
Donde L es una longitud característica del problema. Si el número de Reynolds en el túnel de viento y en el campo son cercanos, entonces modelizamos apropiadamente los efectos de las fuerzas viscosas en relación con las fuerzas inerciales.
Otro parámetro relevante es el número Mach M, la relación entre la velocidad del objeto Vy la velocidad del sonido a:
M = V/a
El número Mach aparece como un parámetro de escala en muchas de las ecuaciones de fluidos compresibles, ondas de choque y expansiones. Cuando se llevan a cabo ensayos en túnel de viento, el número Mach del experimento debe corresponderse al número Mach en las condiciones reales de vuelo.
A partir de esas consideraciones teóricas, se deduce claramente que para mejorar los resultados de los datos del túnel de viento, las maquetas deben ser lo mas grandes posible. Si el principal objeto de los ensayos en el túnel de viento es una investigación del flujo en torno a las colas y el fuselaje trasero teniendo en cuenta la influencia del ala, las posibilidades de expandir su tamaño están limitadas por el tamaño del ala. Si se escoge la escala de la parte trasera de la aeronave para maximizar el número de Reynolds, la longitud correspondiente del ala no cabría dentro de la sección del túnel de viento considerada.
La idea básica de la invención para aumentar el tamaño de los componentes de la maqueta de aeronave situados en la parte trasera de la aeronave para mejorar los resultados de los datos del túnel de viento utilizando las instalaciones actuales es truncar el ala porque el objeto de este tipo de ensayos no es el ala sino las colas y otros componentes traseros de la aeronave. Se analiza para ello el ala de referencia en toda su envergadura y el punto clave en el diseño del ala truncada es la estela detrás de ella.
La nueva ala truncada se diseña de manera que la estela producida que llega a la parte trasera de la maqueta en el túnel de viento es la misma (ó muy similar) que la que llegaría con el ala inicial, de manera que las colas y el fuselaje trasero "no vean" que se ha instalado una ala nueva y recortada en la maqueta.
La principal diferencia entre el estado anterior de la técnica y la presente invención se ilustra en las Figuras 1 y 2. El máximo tamaño de una maqueta de aeronave completamente a escala 15 cuya configuración incluye el fuselaje 21 , el ala 23 y un estabilizador horizontal de cola 29 en la parte trasera de la aeronave está determinada por la anchura W del túnel de viento 1 1 . La parte trasera de la maqueta de aeronave 17 según la presente invención tiene el mayor tamaño compatible con las dimensiones del túnel de viento 1 1 porque su ala 25 no es un ala completamente a escala sino un ala truncada en la que la estela producida tras ella que llega a la parte trasera es la misma que la estela producida por un ala complemente a escala 23. En la Figura 3 se ilustra la estela producida por el ala 25.
Las condiciones a cumplir por dicha ala truncada 25, de longitud L1 en el eje Y para producir la misma estela que el ala 23 completamente a escala de longitud L en el eje Y (usando en ambos casos el mismo factor de escala para todos los componentes con la única excepción del ala) es que (ver Figuras 4a, 4b y 5) la forma del ala truncada 25 tenga una distribución de sustentación 35 similar a la distribución de de sustentación 37 de un ala 23 completamente a escala a lo largo de, al menos, la longitud L2 del estabilizador horizontal de cola 29. Sigue una explicación analítica de ello.
Reduciendo la circulación del ala por:
= A„ sin ηθ
bU ny) = nA n sin «0
Si el ala truncada tiene la misma A n , tiene la misma distribución de sustentación.
Pero, los coeficientes A n para el ala completa pueden separarse en los coeficientes l n y a n de acuerdo con:
donde l n y a n cumplen las siguientes relaciones:
Como puede verse l n depende de la distribución adimensional de la cuerda k(Q ) y de la distribución de torsión ε(θ) pero a n depende solamente de la distribución adimensional de la cuerda £(0 ) . Por tanto si se modifica la distribución de la cuerda del ala truncada para producir los mismos coeficientes a n que el ala completa, se puede usar esa distribución de las cuerdas en l n .
Entonces, manteniendo la distribución de la cuerda así obtenida en l n modificamos la distribución de torsión ε(θ) del ala truncada para tener los mismos coeficientes l n que el ala completa.
Haciendo lo anterior tenemos un ala truncada 25 con los mismos coeficientes l n y a„que el ala completa 23 y por tanto con los mismos coeficientes A n lo que supone la misma distribución de sustentación y la misma estela. La Figura 5 muestra dichas distribuciones de sustentación 35, 37 para una realización de la invención como curvas C-CL vs. Y, donde C-CL representa la relación entre Cuerda en cada sección de ala y la sustentación en esa cuerda e Y representa la distancia lateral medida desde el plano de simetría de la aeronave para un ángulo de ataque del 2%. La parte baja de la Figura 5 muestra esquemáticamente las envergaduras laterales del estabilizador horizontal de cola 29, el ala truncada 25 y el ala completamente a escala 23. Como puede apreciarse fácilmente, los perfiles de sustentación 35, 37 del ala truncada 25 y el ala completa 23 a lo largo de la envergadura lateral L2/2 del estabilizador horizontal de cola 29 son prácticamente idénticos.
Esa realización se llevó a cabo en un túnel de viento de W=2,78 m. La longitud de referencia L/2 del ala completamente a escala 23 fue de 1 ,38 y la longitud L2/2 del estabilizador horizontal de cola fue de 0, 48 m. La longitud L1/2 del ala truncada resultante 25 según la invención fue de 1 m. Por tanto se alcanzó un aumento significativo del tamaño de la maqueta. La envergadura de la maqueta de aeronave 17 en el eje Y debe ser menor que el 75% de la anchura W del túnel de viento para evitar perturbaciones.
Una de las ventajas de esta invención es que consigue una mejora de la calidad de los resultados de los ensayos en túnel de viento sin ningún incremento de coste ya que el ala truncada reemplaza al ala completamente a escala. Por tanto solo es necesario fabricar una ala para la maqueta como es usual.
Se pueden introducir en la realización preferida que hemos descrito aquellas modificaciones que estén comprendidas en el ámbito de las reivindicaciones siguientes.