Diseño aerodinamico de planeadores

Algunas cuestiones sobre el diseño Aerodinámico de los Planeadores

Juan Claudio (Tito) AguiAstir CS, EC-HERNov’2011

Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011

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Nuestros padres: Klaus Holighaus 1940-1994

� Estudiante de la Universidad de Darmstadt

– Miembro de la Akaflieg Darmstad� En Schemp-Hirth desde 1965

– Diseñador de una gran serie de veleros:� Cirrus, Standard-Cirrus, Nimbus-1,

Nimbus-2, Nimbus-3, Nimbus-4, Ventus, Ventus-2, Discus, Janus, Nimbus-3D, Nimbus-4D and Duo-Discus.

� Gran piloto de veleros, a nivel competición mundial

– Murió a los 54 años en los Alpes en un accidente de vuelo

Parte de esta presentaciParte de esta presentacióón estn estáá basada en la Conferencia de basada en la Conferencia de KlausKlaus HolighausHolighaus en la U. de Virginia en 1971)en la U. de Virginia en 1971)


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Componentes básicos de la resistencia de un velero

� Resistencia Parásita:– Fuselaje, empenajes, tren,

interferencias, etc..Cdparas.

� Resistencia del Perfil– Fricción en el ala, debido a

factores viscosos. Cdperfil

� Resistencia Inducida– Resistencia debida a la

forma del ala y a los torbellinos de la punta del ala.

�� A alta velocidad, Cl bajos, los efectos de fricción ( Cdparas y Cdperfil) dominan, mientras que a baja velocidad Cl alto, la resistencia induci da es lo más importante


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Algunas ecuaciones ( las menos !)

c* = S / bc* = S / b

ΛΛg = b= b2 2 / S = b / c*/ S = b / c*

GeometrGeometr íía del Avia del Avi óón:n:

b/2b/2

C*C* S/S/22

CCDD = = CCDDoo + + CCDDpp + + CCDDii

D = CD = CD * D * QQ * * SS

L = CL = CLL * Q * S * Q * S ……. Q = . Q = ½½ ρρ UU22

Vuelo en EquilibrioVuelo en Equilibrio

DD

W

LL

U L ~ W L ~ W

NNúúmero de Reynoldsmero de Reynolds

Re = (U Re = (U * * c) / c) / νν

El Re mide la importancia relativa de lasfuerzas de inercias vs fuerzas viscosas.


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El diseño de un velero es un ejercicio de compromiso… a Altas Velocidades

� O sea, en Transición: queremos el máximo planeo a la máxima velocidad:

– Minima Resistencia de perfil y parásita

� Perfiles laminares a bajo Cl y alto Reynolds

� Mínima superficie “mojada”� Bajo espesor

– Máxima Carga alar� Máximo peso por unidad de

superficie Alar.– Sqrt(Peso/Superfice) ~ V*,

Velocidad Característica

� Máximo Peso ( Agua !) y mínima Superficie


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Aproximando el perfil, por medio de una simple placa plana

RefRef: F. Thomas. Fundamentals: F. Thomas. Fundamentals……

Re=URe=U**l / l / ννCuerda, Velocidad crecientes

Cd,Resistencia

�Queremos flujo laminar, y al mayor Re posible !

La resistencia por fricción de

una placa plana,(dos caras) Número de Reynolds y rugosidad.

Altaturbulencia

BajaTurbulencia


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Influencia de la polar del Perfil en el comportamiento del Velero: Perfiles laminares.

� Los veleros requieren un Cd bajo en un amplio rango de Cl

– 0,2 en crucero– 1,4 en térmica

� El flap permite “desplazar la zona laminar a más alto Cl

� �� Perfiles Wortmann y Eppler

– Superiores a perfiles laminares de alta velocidad Naca 662-415 (especialmente a alto Cl)

Ref: (Quast & Thomas, Braunschweig)


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Influencia del Número de Reynolds en el Cd del perfil

� Desgraciadamente la resistencia aerodinámica del perfil aumenta al disminuir el # de Reynolds…� Vuela rápido, con alta

carga alar…� Con alto alargamiento,

y en las puntas la cuerda disminuye, disminuyendo el Re, aumentando la resistencia.


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Perfiles, Finos o Gordos ?

� Cuando más ancho es el “rango laminar” mayor el Cd mínimo

� Más Espeso– Más ancho “Bucket

Laminar ”– Más robusto frente a la

contaminación,

� Más Fino– Menos Cd en Glide– Más sensible al agua

– Menor rango de Cl


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El reto es por tanto minimizar el Cdmáximizar Cl_max.

� Mínimo espesor– Para optimizar el

planeo– Máx Laminaridad

� Uso de Flaps:– Aumenta Cl_max– Disminuye Cd a Cl

Altos

El truco está en aumentar la zona laminar, y en gestionar el paso a

turbulento y el desprendimiento de las

burbujas…


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Evolución de los Perfiles de los Veleros

Astir CS

ASW 24

Nimbus

SB-11

ASW-27

SB-11

StdCirrus

SB-10

Std.Libelle

ASW-19

ASW-22

Foka-4

Weihe-50

Vampyr

Grunau B.

ASK-21(tip)

SGS 1-21

FS24 Phoenix

??


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Mientras que en térmica, los requerimientos son contrarios….

� Alto Alargamiento y Optima planta de ala

– Para minimizar la Resistencia inducida

� Máximo Cl– Clmax alto minimiza la

velocidad de térmica– Buenas características en

Pérdida


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Para la Térmica: Minimizar la resistencia inducida

� Dos factores clave: – Alargamiento

– Forma en Planta alar, para conseguir distribución elíptica de la Sustentación (min Cdi)

εε = Torsi= Torsi óón en las Puntasn en las Puntas


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La forma del ala y sus perfiles son críticos para su comportamiento en pérdida

� La forma “elíptica” proporciona un Cl constante y ofrece la mínima Cdi.

� Diversos esquemas con sectores tienen a aproximarse a esta forma del ala.

� El Cl.c, gobierna la entrada en pérdida de las puntas, o la raíz del ala, y el control en tal caso de pérdida.

� De nuevo con una doble contracción se obtiene la solución óptima


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En suma, existe un alargamiento óptimo, que depende del Cl más representativo a tomar


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Alargamientos y Envergaduras

DG-300Astir CS


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Evolución en la planta alar(Alargamiento, Forma elíptica, Winglets)

Antares-20

ASG29

AstirCS

Eta

51

52,4

57,1

37,3

72380,5951,330,5

56420,6331,720

50330,5930,418

3828,20,8318,115

L/Dw/ScΛb


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Nuevos desarrollos: LMM Boermans

� Profesor de Aerodinámica de Baja Velocidad en la Tech. University Delft

� Presidente de la OSTIV ( Organización Científica para el Vuelo a Vela)

� FAI Pirat Gehriger Diploma� Contribuidor clave en la mayoría de los

desarrollos más modernos:– Antares– Stemme S family

– Mü-31

– Concordia

� Ver http://vimeo.com/14487449


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Qué se puede hacer ??

� Disminuir la fricción del Ala– Aumentar el % Laminar del Perfil, con nuevos perfiles, o con

succión.

� Disminuir CDi– Winglets ( aumentar la envergadura equivalente )

– Aumentar el alargamiento� Baja el # Numero de Reynolds

� Disminuir la Resistencia Parásita– Disminuir la resistencia del fuselaje

– Mejorar la integración ala-fuselaje

Principalmente basado en “The shape of things to come” po r LMM Boermans Sailplane and Gliding Aug/Sep 2009


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Perfiles Laminares a Bajos Números de Reynolds (Largo Alargamiento)

EpplerEppler EE--60360319% espesor19% espesor

AstirAstir CSCS

WortmannWortmann FX67FX67--KK--17017017% Espesor17% EspesorPIKPIK--2020

DUDU--9797--127127--15M15M12% Espesor12% EspesorAntaresAntares


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DUDU--9797--127127--15M15M

� Perfil de última generación (Antares)

� Mínima resistencia a en un amplio rango de Cl.


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Succión de la Capa Límite


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La succión ofrece, en teoría, menor resistencia y mayor sustentación


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Lo que debe redundar en unas prestaciones muy superiores para el planeador


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Interferencia Fuselaje-Ala

� El efecto del fuselaje sobre las alas es un aumento, especialmente a alto CL del ángulo de ataque en la raiz, produciendo separaciones y transiciones adelantadas.


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Qué hacer ? Minimizar el flujo-Alfa, doblando el fuselaje…


27

Qué hacer ? Cambiar los perfiles de la raíz a las puntas…


28

Qué hacer ? O separar el ala del fuselaje.

Mü31

Fritz JohlJ-5


29

Qué hacer ? Pensar de forma radicalmente diferente: Canards

ColibriColibri (1972)(1972)

SilentFightSilentFight DesieDesie (2012)(2012)Canard 2Canard 2--FL ( 1976)FL ( 1976)


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Qué hacer ? Pensar de forma radicalmente diferente: Alas no planares

““Hacia el Box Hacia el Box WingWing””((IlanIlan KrooKroo, Stanford U)., Stanford U).

JS1JS1

ArcusArcus

Planeo final

Del hoy, al principio…


32@Friedrichshafen, 2011


33 Solar Impulse , 2010


34 Swift, Ilan Kroo, 1991


35Minimoa, 1935


36 Fafnir 1930


37 Aisa – Dewoitine IP-2, 1949


38K.W.7 Kronfeld 1920’s

Education

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