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Aerodinámica PDF Imprimir E-mail
Escrito por Staff Ala   
Miércoles, 30 de Agosto de 2006 16:48

Instrucción Elemental

Teoría elemental de aerodinámica.

 

1.- Definiciones Básicas:

2.- Porqué vuela un avión:

3.- Entrada en pérdida:

4.- Flaps: Qué son y para qué sirven:

5.- Compensadores:

 

1.- Definiciones básicas:

    • Ala: Es la parte del avión que se encarga de mantenerlo en vuelo, es decir, la que genera la sustentación. Tambien suele contener los depósitos de combustible y el armamento del avión.
    • Empenaje de cola: Consta de timón de dirección (vertical) y de profundidad (horizontal).
    • Grupo Motopropulsor: Está formado por el motor y la hélice.
    • Fuselaje: Es la estructura que une a todas las partes anteriores y donde se alojan los equipos de radio y navegación, el sistema de combustible, el de armamento y la cabina.
    • Perfil Alar: Es la forma del ala cortada por un plano perpendicular al eje transversal del avión.
    • Superficie alar: Es la superficie que ocupan las alas incluido el fuselaje comprendido entre ellas.
    • Capa límite: Es el espesor de la corriente de aire que permanece en contacto con el ala.
    Partes del Perfil Alar:
      • Borde de ataque: Es la parte delantera del ala en el sentido del vuelo. Es la primera que se encuentra con la corriente de aire.
      • Borde de salida: Es la parte trasera del ala y la última en contacto con la corriente de aire.
      • Extradós: Parte superior del ala.
      • Intradós: Parte inferior del ala.
      • Perfil alar: Es la forma de la sección del ala.
      • Cuerda: Es la linea que va desde el borde de ataque hasta el borde de salida en un perfil alar.
      • Ángulo de ataque: Es el ángulo que forma la cuerda con la corriente de aire.

    Partes del Ala:

    • Encastre: Es la parte que une cada semiala al fuselaje. Es la parte del ala de mayor grosor y cuerda.
    • Borde Marginal: Es el extremo de cada semiala. Dependiendo de su forma de obtienen mejores comportamientos aerodinámicos del ala.
    • Alerón: Superficie del mando de alabeo. Están situados en la parte exterior del borde de salida y se mueven de forma alterna en cada semiala: si uno sube, el otro baja. El que baja aumenta la sustentación de esa semiala mientras que el que sube, disminuye la de su lado, con lo cual el efecto de ambos combinados es el giro del avión respecto a su eje longitudinal.
    • Flap: Superficie hipersustentadora de borde de salida. Están diseñados para aumentar la sustentación del ala, están situados junto al encastre y actúan a la vez en ambas semialas.
    • Ranura de borde de ataque: Superficie móvil hipersustentadora situada en el borde de ataque . Apareció antes en los modelos alemanes. Se actuaban de forma automática en ambos planos al detectar altos ángulos de ataque, aunque en los primeros modelos tendía a abrirse de forma asimétrica, con el riesgo que ello conllevaba. No todos los modelos llevan este tipo de hipersustentador, dependiendo de su función y época.

    Partes del Ala

2.- Por qué vuela un avión:

Sin entrar en explicaciones complicadas, la diferencia de curvatura entre el extradós y el intradós hace que el aire tenga que ir más rápido por el extradós que por el intradós. Esta aceleración de la corriente de aire provoca una depresión (succión) en el extradós que es la fuerza vertical (Sustentación) que vence la atracción de la gravedad (Peso).

Hay varios factores que influyen en la Sustentación que genera un ala: características físicas del ala, la velocidad de la corriente de aire, la densidad del aire y el ángulo de ataque.

Formula de la sustentacion

Fórmula de la Sustentación generada por un Ala.

  • Características físicas del ala: Vienen dadas por la forma del perfil, la superficie del ala y la forma de esta superficie. De todos estos parámetros sólo podemos actuar sobre la forma del perfil y superficie del ala (según el caso) mediante el uso de los flaps, que varían la curvatura del perfil, y que veremos más adelante.
  • Densidad del aire: Influye proporcionalmente en la sustentación. A mayor densidad del aire, mayor sustentación. La densidad del aire varía con la altura: a mayor altura, menor densidad (y menor sustentación, por tanto) y cuanto más cerca del suelo, mayor densidad y mayor sustentación. La temperatura también interviene, ya que afecta a la densidad del aire, pero dado que en el simulador no se contempla, no nos extenderemos sobre ello.
  • Velocidad: La Sustentación que poduce un ala es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad a la que se desplaza por la corriente de aire. A más velocidad, más sustentación generará.
  • Ángulo de ataque: A mayor ángulo de ataque, mayor sustentación... hasta cierto límite. Hay un valor de ángulo de ataque a partir del cual se produce una brusca disminución de la fuerza de sustentación (pérdida). Tanto el ángulo de ataque como las caractarísticas físicas del ala modifican el CL.

3.- Entrada en pérdida:

Habíamos dicho en las definiciones básicas que la Capa Límite es el espesor de la corriente de aire que está en contacto con la superficie del ala. Es en esta capa donde se origina la sustentación, de ahí la importancia de que esta capa no se desprenda de la superficie del ala, ya que inmediatamente esta perdería la sustentación.

Perdida

Representación de un perfil en perdida.

Contra lo que pueda parecer, la velocidad de la corriente de aire no influye en el desprendimiento de la capa límite. Lo que pasa es que a baja velocidad no se genera suficiente sustentación para vencer el peso del avión, pero la capa límite está adherida al perfil.

El despredimiento de la capa límite viene influenciado exclusivamente por el ángulo de ataque. Además, el desprendimiento de la capa límite se produce de golpe, y no tiene por qué producirse a la vez en las dos semi-alas. Esto depende de la situación aerodinámica de las partes del ala, o sea, la maniobra que esté realizando (o intentando realizar) el piloto.

Las situaciones en las que se puede producir el desprendimiento de la capa límite son tres, principalmente: el despegue, el aterrizaje y las maniobras sobre el timón de profundidad (horizontal) que impliquen g's positivas (tirones de la palanca al pecho).

Para evitar la entrada en pérdida en el despegue basta con no tirar demasiado de la palanca hacia atrás. Al tener el avión poca velocidad y actuar en exceso sobre el timón de profundidad, se aumenta el ángulo de ataque mucho más fácilmente que si llevamos más velocidad, y al superar el valor de entrada en pérdida y no tener suficiente altitud para recuperar el final suele ser estrellar el avión.

En el vuelo recto y nivelado, es decir, la sustentación es igual al peso del avión (variómetro=0 m/s), para cada velocidad corresponde una valor fijo de ángulo de ataque, de forma que a mayor velocidad, menor ángulo de ataque y a menor velocidad, mayor ángulo de ataque. Para descender, basta reducir el ángulo de ataque a una velocidad dada, o reducir la velocidad a un ángulo de ataque dado.

En el aterrizaje, al ser la velocidad baja, el ángulo de ataque aumenta casi al máximo, con el consiguiente peligro de entrada en pérdida. La solución es controlar la velocidad anemométrica del avión, ya que por debajo de cierta velocidad, que depende del avión, el ángulo de ataque que debería tener el ala es mayor que el máximo, produciéndose la pérdida de sustentación.

En las maniobras con g's positivas, normalmente en virajes horizontales, se produce un aumento del ángulo de ataque debido a la acción del timón de profundidad e independientemente de la velocidad a la que vaya el avión, aunque se producirá más fácil cuanto más despacio vaya este, ya que la respuesta aerodinámica del avión es mayor. Si se nota la zona de turbulencia que precede a la aparición de la pérdida, la solución es aflojar mando de profundidad para reducir el ángulo de ataque... y rogar que el que va detrás no tenga buena puntería...

4.- Flaps: Qué son y para qué sirven.

Como ya hemos dicho antes, dos de los factores que influyen en la sustentación que genera un ala es la curvatura de su perfil y la superficie del ala. En los primeros modelos de aviones esta curvatura y superficie era fija, no se podía modificar en vuelo (ni en tierra, de hecho), y tampoco hacía demasiada falta, ya que las velocidades de aquellos aviones no eran excesivas. El problema vino cuando al ir desarrollando grupos motopropulsores más potentes capaces que generar velocidades cada vez mayores, se tuvo que ir modificando el perfil para conseguir reducir la Fuerza de rozamiento que generaba a costa de crear perfiles "menos sustentadores", lo que provocó el aumento de la velocidad de entrada en pérdida. Dado que lo ideal era tener varios tipos de perfil según las velocidades del avión, se diseñaron varios tipos de hipersustentadores. Aquí vamos a tratar los flaps, que son los primeros dispositivos que se introdujeron en la aviación de la SGM, y las ranuras de borde de ataque, que eran usadas por los aviones de mediados/finales de la SGM en combinación con los flaps, normalmente.

Los flaps son aquellas superficies móviles del ala, ajustables en vuelo, que aumentan la curvatura del perfil, y por tanto del Coeficiente de Sustentación (CL) máximo, consiguiendo reducir las velocidades de toma y despegue, y acortando las longitudes de las pistas para dichas operaciones. Aunque en la actualidad hay flaps de borde de ataque y de borde de salida, solo vamos a ver los últimos, ya que son los que fueron usados en los aviones de la época del simulador en el que nos movemos.

Flaps

En la imagen superior podemos ver varios tipos, los más importantes, de flaps de borde de salida. Como se puede observar, en todos los casos se varía la curvatura del perfil. En unos no aumenta la cuerda (longitud) del perfil mientras que en otros, al desplazarse hacia atrás la superficie móvil, sí que aumenta su cuerda. El efecto final en todos ellos es el mismo: un aumento de la sustentación del ala a la vez que un aumento de su resistencia.

Vamos a ver ahora cómo y cuándo usar los flaps. Está claro que si los sacamos reducimos la velocidad de pérdida y necesitamos menos pista tanto para aterrizar como para despegar, pero vamos a ver que pasa en un despegue con flaps.

Flaps

Primero vamos a ver la gráfica de arriba. CL es el Coeficiente de Sustentación, que por decirlo de alguna manera simple es la cantidad de sustentación que proporciona un perfil. Y también tenemos CD que es el Coeficiente de Rozamiento, es decir, el factor de resistencia que ofrece ese perfil. Vemos que para altos CL, corresponden altos CD, y la forma de variarlos es variando el ángulo de ataque: a mayor ángulo de ataque, mayor CL (y mayor CD, por tanto).

En un despegue con flaps, cuando el avión tiene poca velocidad (y ya hemos metido el tren) y llevamos un ángulo de ataque alto, es decir un CL alto con los flaps fuera (Punto "A" de la gráfica). Si en ese punto quitamos los flaps, pasamos al punto A' (curva sin flaps), ya que debemos mantener el CL para no caer. Si nos fijamos, para el mismo valor de CL, tenemos dos valores de CD, siendo mayor el que está en la curva con los flaps dentro. Por tanto, meter los flaps en ese punto aumenta la resistencia.

Al final no metemos los flaps y seguimos aumentando la velocidad y por tanto, podemos reducir el ángulo de ataque, y en consecuencia, reducimos el CL (y el CD) hasta llegar al punto B. En ese punto, vemos que el rozamiento es menor sin flaps que con flaps (CD es menor en B' que en B), por tanto en B es conveniente llevar los flaps dentro.

Resumiendo: Dependiendo del CL que tengamos es conveniente llevar los flaps fuera o dentro. La conclusión que hay que sacar de todo esto es que dado que no sabemos la velocidad en la que alcanzamos el punto M en cada avión en el cual se optimizaría la maniobra de retracción de los flaps desde el punto de vista de la resistencia, es conveniente no tener excesiva prisa para guardar los flaps, y casi es recomendable aguantarlos un poco para evitar una pérdida de sustentación en un momento tan crítico en ese sentido como es el despegue, sobre todo si tenemos el avión cargado de bombas hasta el límite y necesitamos por tanto un CL lo más alto posible.

Vamos a ver ahora las ranuras de borde de ataque. Si miramos la imagen de abajo veremos a qué nos referimos. Además se puede observar que los flaps están dentro.

Ranuras

Bf-109G2 con las ranuras de borde de ataque abiertas al máximo en un viraje.

La función de las ranuras es aumentar la energía de la capa límite que circula por el extradós para evitar que se desprenda ante elevados ángulos de ataque. Al haber en el intradós una sobrepresión se produce una corriente de aire que hace que la capa límite del extradós "aguante" pegada a este hasta el final. Si nos fijamos, la longitud de las ranuras viene a coincidir con la longitud de los alerones. Esto hace que al tener la corriente de aire pegada a estos "siempre" tengamos mando de alabeo, incluso en situaciones en las que de otro modo no tendríamos ningún mando sobre el avión en alabeo.

Al ser de actuación automática, no tenemos que preocuparnos sobre su uso. El mismo avión se encarga de abrirlas o cerrarlas según sea necesario independientemente de la posición en que tengamos los flaps.

5.- Compensadores:

Vamos a ver ahora que son los compensadores ("trims" en inglés). Los compensadores son sistemas que corrigen la tendencia del avión a desviarse de su trayectoria en cualquier eje. Esto se ve más claro con un ejemplo por medio.

Supongamos que tras el despegue, después de meter el tren, los flaps y haber alcanzado la altitud de vuelo tenemos que hacer una navegación hasta la zona del objetivo. Lo primero que vamos a tener que hacer a la altitud de vuelo es nivelar el avión. Muy bien, empujamos la palanca hacia delante, reducimos el régimen del motor y nos ponemos a ajustar la altitud. Al rato, como no estamos subiendo, aumenta la velocidad del avión, esto hace que tenga más sustentación, o sea, que sigue subiendo. Volvemos a empujar la palanca un poco más hacia delante. El avión se vuelve a estabilizar, vuelve a coger más velocidad, y sigue subiendo... hasta que al final llega a una velocidad máxima para ese régimen de motor que nos permite mantener velocidad y altitud, pero para mantener el avión en esa actitud tenemos que tener la palanca bastante desplazada hacia delante, "picando" el morro. Para evitar esto se usa el compensador de profundidad (o cabeceo). Es un sistema que hace que la superficie del mando de profundidad esté desviado de su posición neutral con la palanca en neutro para evitar que el piloto tenga que estar actuando constantemente sobre esta para mantener la actitud de vuelo que quiera.

Existen compensadores en los tres ejes del avión, aunque no en todos los modelos de avión son ajustables en vuelo, dependiendo del mecanismo mecánico de actuación que tengan. Por ejemplo, el Polikarpov I-16 tiene en los bordes de salida de los mandos de profundidad, alabeo y dirección unas chapas deformables en tierra que se ajustaban a petición del piloto para ir recto y nivelado a una determinada velocidad, altitud y régimen de motor. Los primeros modelos del Bf-109 solo tenía compensador actuable por el piloto en vuelo en el mando de profundidad. Sin embargo la mayoría de modelos tenía compensación ajustable en vuelo en los tres ejes, sobre todo en los modelos de finales de la SGM.

Para ajustar los compensadores en vuelo (en aquellos modelos y ejes que lo permitan) hay que ir actuando poco a poco sobre ellos y esperar a que hagan efecto. Hay que tener en cuenta que son superficies relativamente pequeñas y por tanto no tienen una respuesta rápida.

A efectos prácticos, y dado que volamos con joystick, podemos configurar los compensadores en las teclas del cursor haciendo coincidir las flechas con el sentido de las compensaciones. Hacia los lados, alabeo; hacia arriba y abajo, profundidad, y ya que por defecto los mandos de dirección vienen en la "Z" y "X", podemos poner los compensadores de dirección en esas teclas sin tener que pulsar la tecla "Control" ni "Mayúsculas".

La compensación en profundidad está clara para que sirve: mantener una altitud de vuelo a una velocidad constante sin tener que estar corrigiendo constantemente, para eso nos fijaremos en el variómetro (indicador de velocidad vertical) intentando que la aguja no se salga del cero. La de alabeo, ya que no tenemos opción de consumir de un depósito de un plano más que del otro, la podemos usar en caso de tener el avión dañado en un plano; y la de dirección, para compensar el par de giro del motor. Para esto, si nos fijamos en la indicación de rumbo de la barra de velocidad, veremos que el avión va girando poco a poco hacia un lado. Si tenemos mando sobre el compensador de dirección en ese modelo, podemos ir actuando sobre él poco a poco hasta que veamos que el avión deja de variar el rumbo.

A nivel mecánico sólo decir que dependiendo del avión y del mando del que se tratara, actuaba sobre la posición de centrado de la palanca, sobre la superficie fija del mando correspondiente o sobre aletas móviles situadas en el borde de salida de la superficie de mando.

 

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Última actualización el Jueves, 26 de Septiembre de 2013 21:59
 
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