tema 01 - configuración
TRANSCRIPT
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 1/32
1
1Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Tema 1Tema 1
Configuración generalConfiguración general
2Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
IntroducciónFuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 2/32
2
3Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
IntroducciónIntroducción
Durante la primera sesión vamos a repasar laconfiguración de los aviones, especialmente los de
trasporte subsónico.
El objetivo es conocer porqué las partes de un avión están
donde están y tienen la forma que tienen, para determinar
“formas” que puedan servir para iniciar el diseñoFuselaje: forma y características
Ala: forma, posición horizontal y vertical, dispositivos
hipersustentadores
Superficies de cola: forma, disposición
Planta propulsora: ubicación, númeroTren de aterrizaje: configuraciones, geometría
Y las posiciones relativas entre ellas, relaciones e
interacciones
4Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
IntroducciónIntroducción
No hay criterios absolutos ni soluciones únicas al decidir
una u otra configuración. Nos basamos en:Las especificaciones
Los requisitos de aeronavegabilidad y certificación
La experiencia previa y/o los aviones semejantes
Innovación, creatividad, filosofía dominante en el proyecto,
sentido del ingeniero (según Raymer, se trata de lo que un
ingeniero pinta en la servilleta cuando lee la especificación)
Aviones semejantes: lo primero que hace un ingeniero es ver
qué han hecho otros para resolver el problema. Es un buen comienzo
determinar una lista (5-7) de aviones semejantes y recopilar sus
características y geometrías (tres vistas). La Biblia es el Jane’s All the
World Aircraft, pero hay muchísima información en Internet. En nuestro
caso los aviones semejantes suplen la experiencia previa que todo
fabricante dispone en un diseño evolutivo
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 3/32
3
5Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
IntroducciónIntroducción
Factores determinantes en la selección de la configuración:Seguridad, el más importante
Requisitos funcionales (que cumpla con las especificaciones
mejor que la competencia)
Criterios económicos: que el nuevo concepto mejore el coste de
ciclo de vida=coste avión+tripulación y gastos servicio+coste de
desprenderse del avión al final de su vida. Si no se prevé que el
nuevo avión mejore el coste de ciclo de vida de los productos
existentes en un 5-10% no tiene mucho sentido iniciar un nuevo
diseño, ya que no será atractivo para el usuario
Capacidad evolutiva: el futuro es incierto y la vida del diseño
puede extenderse durante más de 50 añosEnvolvente de vuelo o actuaciones
6Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
FuselajeAla
Planta Propulsora
Superficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 4/32
4
7Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
FuselajeFuselaje
MisionesContiene la carga de pago
•Pasajeros
•Carga
Normalmente contiene el cockpit
Elemento estructural que une las partes del avión
Contiene la mayoría de los sistemas del avión
ConsideracionesContribuye enormemente a la resistencia aerodinámica
Su volumen debe ser suficiente y su forma flexible
La estructura debe ser resistente, rígida y ligera
Su forma contribuye a las características de estabilidad y control
Compromiso
Transporte de personas
Transporte de mercancías
Transporte militar
Compromiso
8Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
FuselajeFuselajeSecciones típicas
.
La sección típica es circular por
consideraciones aerodinámicas y
estructurales (especialmente si
el fuselaje está presurizado)
En Roskam Part III hay una cantidad
inmensa de datos sobre secciones,
tamaños de personas, asientos,
contenedores, galleys, etc
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 5/32
5
9Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
FuselajeFuselajeUn tubo cilíndrico de sección constante no es la mejor
forma aerodinámica. Pero es la más práctica
Sección constante (ventaja estructural, de fabricación y de
acomodación interna)
Permite versiones alargadas (“familias”)
El fuselaje del Lockheed
Constellation era más
eficienteaerodinámicamente (y
mucho más bonito),
pero el Douglas DC-6
permitía ofrecer varias
versiones a lasaerolíneas yconfiguraciones
flexibles
10Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
FuselajeFuselajeAl final prima la flexibilidad en los aviones comerciales
Todos ofrecen configuraciones internas a medida
Todos ofrecen versiones alargadas y acortadas
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 6/32
6
11Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
AlaPlanta Propulsora
Superficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercialAnexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
12Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Para el Ala en esta fase debemos decidir Forma en planta
Posición vertical respecto el fuselaje
Posición longitudinal respecto el fuselaje
Interferencias Ala-Fuselaje
Consideraciones para la forma en planta:Alargamiento (A=envergadura/cuerda media): a mayor
alargamiento menor resistencia inducida, pero mayor complejidad estructural
Estrechamiento (λ=cuerda en el borde/cuerda en el encastre):
mejora la distribución de sustentación en envergadura (más elíptica), pero
aumenta la complejidad de fabricación. Cuidado con Re en los bordes
marginales
Flecha (Λ=ángulo cuerda media aerodinámica): mejora el
comportamiento a altas velocidades pero empeora todo lo demás (estructura
más pesada, engrosamiento capa límite en la parte exterior)
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 7/32
7
13Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Formas en planta típicas:Ala recta (λ =1, Λ≈0): muy barata y sencilla de fabricar,
pero aerodinámica y estructuralmente mala
Ala trapezoidal (λ <1, Λ≈0): mejora aerodinámica y
estructural, más compleja de fabricar. Un compromiso son
los extremos trapezoidales (tipo “Cessna”)
En el extremo tenemos un ala elíptica: distribución de
sustentación casi elíptica, pero muy difícil de fabricar
Alas en flecha positiva (λ <1, Λ>0): disminuye los
problemas de compresibilidad en el vuelo a altasvelocidades, pero es más pesada y compleja de fabricar. El
engrosamiento de la capa límite hacia el exterior puedeprovocar problemas de mando en los alerones. Puede
haber problemas aeroelásticos. En general lo mejor es quela flecha sea la menor posible sin que aparezcanproblemas de compresibilidad
14Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Posición vertical respecto el fuselaje:
Ala alta: Típico de transportes
militares, algunos aviones de
pasajeros y avionetas
VentajasBodega de carga despejada
Piso horizontal y bajo, mejora la carga y descargaDeja libre el extradós: mejora aerodinámica
Facilita la ubicación de los motores en las alas
Disminuye efecto suelo en aviones STOL y facilita el uso
de los dispositivos hipersustentadores
Permite atirantar por el intradós (braced-wing)
DesventajasUbicación del tren
Si está en el fuselaje la vía es estrecha y requiererefuerzo en el fuselaje para trasmitir las cargas
Si está en el ala (normalmente plegándose en la
góndola de los motores), resulta muy largo y pesado
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 8/32
8
15Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Ala media: Típico de aviones decombate y entrenadores militares
VentajasLa mejor configuración para mínima resistencia en vueloa alta velocidad
Minimiza las interferencias ala-fuselaje
DesventajasLos largueros atraviesan el fuselaje por lo que interfieren
con las posible bodegas o cabinas
La solución del HFB 320: una f lecha
negativa para que los largueros pasenpor detrás de la cabina de pasaje (si se
pueden resolver los problemasaeroelásticos de una flecha negativa)
16Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Ala baja (o media-baja):Típico de los aviones de transporte comercial
VentajasUso eficiente del suelo inferior, el larguero
atraviesa el fuselaje por debajo del piso de la
cabina de pasaje
Las bodegas de carga son accesibles desde
el sueloLos trenes de aterrizaje pueden ser más
cortos y recogerse en las góndolas de los
motores o en el encastre del ala
DesventajasLos motores en las alas se encuentran cercadel suelo
El piso de la cabina se encuentranecesariamente alto (no es una desventaja en
aviones de pasajeros)
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 9/32
9
17Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAlaPosición vertical, consideraciones de rendimiento:
Efecto sueloSe trata de la disminución de la resistencia inducida al acercase al suelo. Es más
acusado con ala baja, por estar más cercana al suelo
En principio disminuye la distancia de despegue, pero si hay separación por flujo reverso en
los flaps (más peligroso con ala baja), la distancia puede aumentar: el ala alta permite el uso
de unos flaps más potentes
Un efecto suelo muy acusado dificulta el aterrizaje (el avión “flota”)
Efecto suelo y downwash en la colaLa superficie horizontal vuela en la influencia del ala, que produce una deflexión hacia abajo
(downwash) de forma que el ángulo de ataque del estabilizador horizontal se ve reducido por
este ángulo de downwash
Al entrar en efecto el ala aumenta su sustentación (efecto transitorio), pero con un menor
ángulo de doswnwash. La disminución del downwash produce un aumento en al ángulo de
ataque del estabilizador y por tanto un incremento de sustentación en el mismo, provocando
un momento de picado
Sin embargo el aumento de la sustentación en el ala produce un momento deencabritamiento que puede compensar, o no, el anterior
En general con un ala alta se produce un momento neto de picado que puede requerir unas
superficies de mando horizontales mayores. Con ala baja ambos momentos pueden llegar a
compensarse de forma que el avión haga “flare” en aterrizaje sin tocar los mandos. En la
práctica es imposible predecir cuál será el efecto neto
18Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAlaConsideraciones de estabilidad
Ala baja (Γ>0 siempre)El centro de gravedad está por encima del ala
El flujo efectivo del fuselaje ante un resbalamiento es desestabilzante
Afecta positivamente al amortiguamiento del “dutch roll”
Se requiere un ángulo diedro positivo (en alas rectas unos 3º más que con ala alta)
Ala alta (Γ≤0 casi siempre)El centro de gravedad está por debajo del ala
El flujo efectivo del fuselaje ante un resbalamiento es estabilzante
Afecta negativamente al amortiguamiento del “dutch roll”
Requiere menos diedro o incluso diedro negativo para amortiguar el “dutch roll”
Consideraciones de seguridad:Ala baja
En caso de aterrizaje de emergencia, si los motores están en las alas estos son grandes
masas absorbentes de energía
El combustible está en las alas. En caso de aterrizaje de emergencia hay más riesgo de
incendio
Ala altaEn aterrizajes forzosos el fuselaje está más expuesto
En amerizajes el fuselaje puede quedar sumergido: es necesario prever escapes por el
techo de la cabina o barreras para evitar la entrada de agua
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 10/32
10
19Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
AlaAla
Posición horizontal respecto el fuselaje:Queda determinado por el centrado de masas
Se debe prever la flexibilidad en el desplazamiento horizontalpara cuando se calculen
con precisión los pesos
Interferencia fuselaje-ala:Siempre se produce una interferencia entre las capas límites del fuselaje y del ala, que
pueden producir desprendimientos y torbellinos de alta energía a altos ángulos de ataque y/o
velocidades transónicas, pudiéndose producir problemas de aeroelasticidad (buffeting)
El ala alta se ve mucho menos afectada que el ala baja
En ambos casos los problemas se pueden resolver satisfactoriamente mediante
carenados en el encastre(carenados de von Karman) que también pueden ayudar a
cumplir la regla del área para altas velocidades transónicas y plegar el tren en ala baja
En cualquier caso el ala alta es superior para altos ángulos de ataque
20Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 11/32
11
21Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Planta PropulsoraPlanta Propulsora
Para la Planta Propulsora debemos decidir Selección del tipo de motor
Número de motores
Posición de los motores
Tipo de motores disponibles:Alternativo (hasta unos 500 hp).
Turbohélice
Reactor (puro y turbofan)
Otros (cohetes, ramjets, y tecnologías experimentales como
scramjets o pulse detonation jets)
22Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Planta PropulsoraPlanta Propulsora
Consideraciones para la selección:Envolvente de vuelo: las hélices son muy eficientes por debajo de M≈0.5, pero por
encima pierden eficiencia por comprensibilidad en la punta de las palas
Consumo específico: los motores alternativos tienen el
menor consumo específico, seguido de los turbohélices (aunque
estos queman queroseno, que es más barato). Los reactores
tienen un consumo específico mayor (y mayor cuanto menor es la
relación de derivación)Peso total=motor+combustible misión: pesos
específicos típicos sin combustible, alternativo≈0,5-0,8Kg/hp,
turbohélices ≈0,15-0,25Kg/hp, turbofan ≈0,15-0,25Kg/KgEmpuje,
reactor puro ≈0,25-0,35Kg/KgEmpuje
Tamaño y peso de la instalación
CosteInicial de adquisición
De mantenimiento (revisión mayor u overhaul)
Ruido y vibraciones
Percepción del pasajero: no le suelen gustar las hélices
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 12/32
12
23Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Planta PropulsoraPlanta Propulsora
Número de motores:Los aviones civiles de MTOW≥5.700 kg (certificados CS/FAR25) deben tener al
menos dos motores para poder seguir volando en caso de fallo de motor: prima la
seguridad
Cuanto menor sea el número de motores, menor es el gasto de adquisición y
mantenimiento. Durante muchos años los aviones de corto alcance tendían a ser
bimotores y los de medio y largo alcance eran tri y cuatrimotores. Sin embargo en la
actualidad los aviones de largo alcance son bimotores, gracias a los avances en la
fiabilidad de los motores (operaciones ETOPS)
En el anexo 1 se hace una discusión sobre las normas certificación y el número de
motores (gradiente de subida en el segundo segmento)
Posición depende del número, tipo y tamaño:Motores turbofan en Ala (colgados de ella en pods):
Ventajas•Aerodinámicamente es indiferente. Se ha conseguido que el comportamiento del motor+ala se asemeje
mucho al del ala sola
•Estructuralmente es una gran beneficio, pues el peso en las alas compensa en gran medida las cargas de
flexión. El fuselaje es más ligero pues no requ iere refuerzo en la cola
•Por seguridad es mejor: los conductos de combustible son más cortos pues el combustible está en las alas
y los motores son masas absorbentes de energ ía en caso de aterrizaje forzoso
24Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Planta PropulsoraPlanta Propulsora
Motores turbofan en Ala:
Desventajas•El tren de aterrizaje debe ser más alto
•Los motores están más expuestos a tragarse la suciedad
de la pista en despegues y aterrizajes
Motores turbofan en parte trasera del fuselaje:
Ventajas: tren más corto, motores más protegidos
Desventajas:•Suelen presentar más dificultad en el peso y cen trado
(más variación del Xcg)
•Estructura más pesada tanto por el ala como por el
fuselaje
En general un avión con los motores en la
parte trasera suele ser algo más pesado. El
ala en un avión en esta configuración debe estar
más retrasada. Es más frecuente en aviones
pequeños y de corto alcance (hacen más
aterrizajes y compensa la mayor robustez del
tren y de la estructura)En el Anexo 3 hay una historia de cómo se llegó históricamente a
la configuración “standard”
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 13/32
13
25Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta Propulsora
Superficies de ColaTren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercialAnexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
26Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Superficies de colaSuperficies de cola
Disposiciones básicas:A1 Convencional estabilizador bajo:
estructuralmente robusta (separación de los
estabilizadores). La habitual en aviones con motores
bajo las alas.
A2 y A3 Estabilizador cruciforme y en T:Para
evitar el chorro de los motores o cuando estos se
encuentran en la cola. Requiere una estructura para
la deriva mucho más robusta. La deriva de una cola
en T es más pesada pero puede ser más pequeña.
Se debe tener especial cuidado con las vibraciones
aeroelásticas
B1 dos derivas en extremos del estabilizador:
Si la deriva es muy grande el centro aerodinámico
está alto y se produce un momento de balanceo
adverso apreciable. También reduce la altura total
del avión (para meterlo en hangares o portaviones)
B2 Doble fuselaje: elección lógica cuando hay doble fuselaje
C en V o mariposa: si se quiere evitar una cola en T y alejar las superficies del chorro de gases.
Cierta complejidad en las superficies de mando (combinación de timones de profundidad y dirección)
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 14/32
14
27Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Superficies de colaSuperficies de cola
Consideraciones para la ubicación:Nunca deben estar directamente expuestas al chorrodel motor. En caso de asimetría de
empuje sería prácticamente imposible el control. Normalmente e la configuración A1 el
estabilizador horizontal tiene un ligero diedro para alejarlo de los chorros
Efectos de la estela del ala. Los estabilizadores están afectados por la estela del ala
(downwash), que varía con la sustentación de la misma (ej fuertemente al bajar los flaps, o a
elevados ángulos de ataque). La estabilidad estática se puede ver afectada por los regimenes de
vuelo. El efecto disminuye colocando el estabilizador horizontal muy alto o muy bajo, si es posible
Comportamiento en pérdida y recuperación de la misma. Cuando el ala entre en pérdida
idealmente los estabilizadores de cola y las superficies de mando deben poder seguir actuando. Si
el ala entra en pérdida por el encastre, puede producir una gran turbulencia que haga inefectivos
los estabilizadores (tampoco debe entrar en pérdida por las puntas ya que dejaría inefectivos los
alerones). Normalmente se diseña el ala para que entra en pérdida a la mitad de cada semiplano
Recuperación de barrenas. Los timones de dirección y
profundidad deben seguir siendo efectivos en una
barrena para poder salir de ella. Durante la barrena
ninguna superficie debe quedar en “sombra
aerodinámica”. El peligro es que la deriva quede en
sobra del estabilizador horizontal, que debe ubicarse
longitudinalmente con esta consideración. La
configuración en T es una de las más afectadas (no
existen muchos aviones acrobáticos con cola en T)
28Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 15/32
15
29Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Tren de aterrizajeTren de aterrizaje
Tipos (el tren y la geometría de su retracción debe considerarse la fase inicial de la configuración):
“Clásico” con rueda de cola
Es muy robusto (adecuado para aviones STOL) pero presenta
bastantes desventajas por lo que está prácticamente en desuso
•Al frenar fuerte hay peligro de capotaje (vuelco hacia delante)
•La fuerza de frenado actúa por delante del Xcg los que produce
inestabilidad lateral
•En un aterrizaje fuerte en dos puntos el impacto hace que se
eleve el morro y el avión pueda rebotar
•La inclinación hace que el piloto no vea demasiado en tierra y sea
sensible al viento
•Resistencia alta en momentos iniciales del despegue hasta que
se levanta la cola
•El piso de la cabina está inclinado los que es incómodo para el
pasaje y la carga“Tándem”: ruedas en el fuselaje normalmente a la misma distancia delante y detrás del Xcg
“La ventaja es que las ruedas pueden retraerse en el fuselaje sin
afectar al ala pero
•Puede ser necesarias ruedas exteriores para mantener el
equilibrio
•Difícil rotación en despegue y actitud muy precisa en
aterrizaje
•Sólo se utiliza en casos especializados
30Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Tren de aterrizajeTren de aterrizaje“Triciclo” con rueda de morro
Es la configuración standard en casi todos los aviones hoy en día,
ya que presenta numerosas ventajas
•La fuerzas de frenado (tren principal) está por detrás del Xcg, por
lo que se produce un efecto estabilizador
•El fuselaje en tierra se encuentra prácticamente horizontal
•La visión del piloto hacia delante es buena
•No hay tendencia a capotar con frenadas fuertes
•La resistencia en la fase inicial del despegue es reducida
•En una aterrizaje en dos punto el impacto sobre el tren principalhace que haya un par de picado, por lo que hay menos tendencia
al rebote
•En general facilita el taxi, el aterrizaje y la utilización de los frenos
Tipos especiales
A320
Piper PA28
Alta flotabilidad en aviones de carga militares, con
multitud de ruedas para mejorar el comportamiento en
terrenos no preparados
Hidroaviones y anfibios. El fuselaje está configurado
como un casco de hidroplaneo y hay provisión para la
retracción del tren
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 16/32
16
31Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta Propulsora
Superficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercialAnexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
32Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Nº de motoresNº de motores
En los aviones comerciales el número mínimo de motores debe ser de 2. Cualquie r avión debe ser capaz de volar con
un motor inoperativo y mantener unas prestaciones suficientes como para poder hacer las maniobras adecuadas.
Las normas de certificación (EASA CS25 o FAR 25 para aviones de más de 5.700 Kg de peso máximo en despegue)
favorecen que el número de motores sea mayor, imponiendo criterios de pendiente de ascenso en caso de fallo de
un motor en despegue.
En concreto en la CS25.121 Climb:One engine inoperative, se especifica que durante el segundo segmento de
ascenso la pendiente de ascenso con el motor crítico inoperativo no puede ser menor de 2 .4% para aviones de dos
motores, 2,7% para los de tres y de 3,0% para los de cuatro. El segundo segmento es la fase de ascenso inmediata al
despegue con el tren plegado pero con el resto del avión en configuración de despegue (flaps en posición de despegue,
y sin efecto suelo). En ese momento el avión debe estar volando como mínimo a V2 (velocidad de seguridad en
despegue) que se define en relación a la velocidad de pérdida (CS25.107).
Esto ¿qué impacto tiene sobre el número de motores? Necesitamos plantear alguna ecuación de mecánica del vuelo(ref Torenbeek cap 5.4.3).
Planteamos el equilibrio entre sustentación L, peso W, empuje
T y resistencia D para una ángulo de ascenso γ. Proyectamos
sobre la trayectoria del ascenso y su perpendicular 0·cos
0·
=−
=−−
γ
γ
W L
senW DT
Tras el fallo del motor más crítico a la velocidad V=V2 como γ<<1 →cosγ≈1, sen γ ≈ γ
Por tanto la ecuación para el empuje requerido durante este segundo segmento
(subíndice 2) es
=
+=
22
2222
W L
W DT γ 2
22
2
2
2
2
2
2γ γ +
=→+=
L
D
C
C
W
T
L
D
W
T
Si en ascenso falla un motor, llamando TU2 al empuje unitario de un motor, tenemos disponible
Es decir tenemos (Eq1) Por otra parte en despegue (Eq2)
( )22
·1U eT T −=
( )2
22
2·1
γ +
=
−
L
DU e
C
C
W
T
to
Utoe
toW
T
W
T ·=
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 17/32
17
33Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Nº de motoresNº de motores
Supondremos unos valores típicos para un avión de transporte comercial:
Wto≈W2=110 tons≈1.1x106N
Lift/Drag ratio a V2 → (L/D)2=(CL/CD)2=9.0 (según métodos estimación Torenbeek)
Thrust Lapse a V2 → TU2/TUto=0.85
Con estos datos podemos estimar el empuje requerido para un avión de dos, tres y cuatro motores
Number of Engines Ne 2 3 4
Minimun Climb Gradient γ (%) 2,4% 2,7% 3,0%
(T/W)to required 0,318 0,244 0,221
SLS required total Tto (N) 349.699 268.098 243.486
SLS per engine (N) 174.850 89.366 60.871
Potencia total sobre avo 4 motores 144% 110% 100%
Es decir que la norma de certificación de gradiente de ascenso con fallo de un motor en el ascenso exige que la
potencia al despegue sea un 44% mayor en un avión con dos motores que en un avión de cuatro motores. Losrequerimientos de potencia al despegue en un avión de dos motores son brutales en comparación con la potencia
necesaria en crucero
Pese a ello la mayoría de los aviones de t ransporte, incluso los de largo alcance, llevan dos motores. Esto es así
por razones económicas ya que el coste del los motores es un porcentaje muy alto del coste total del avión y hay
“economías de escala” al instalar menos motores, pero más grandes
Si dividimos Eq2) / Eq1) obtenemos la expresión
to L
D
U
Uto
e
e
toW
W
C
C
T
T
W
T 2
2
221
+
−=
γ
34Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionalesAnexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 18/32
18
35Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Ala volante pura:El ala volante pura, sin estabilizadores horizontales ni verticales es la
configuración a priori más eficiente
Requieren perfiles autoestabilizantes (curva “reflex” en el borde de salida),
fuerte torsión (Horten) y/o mandos activos
Son muy críticos con la posición del Xcg, precisamente porque no
disponen de superficie horizontal estabilizadora que compense las
variaciones de momentos de cabeceo
Eficiencia aerodinámica por ser la configuración de menor área mojada,
por tanto de menor resistencia parásita. Sin embargo la resistencia inducida
puede ser alta por compromisos en la distribución de sustentación para
mejorar la estabilidad
Eficiencia estructural por posibilitar la carga distribuida
La flecha ayuda a mantener la posición entre el centro aerodinámico e
Xcg y a mejorar la estabilidad direccional
La utilización de mandos de vuelo activos han permitido mejorar la
estabilidad y control manteniendo una alta eficiencia aerodinámica (aparte
de otros compromisos como la capacidad Stealth) para dar lugar al único
avión con éxito en esta configuración (el B-2)
Ho229
Northrop XB-49
NorthropB-2
36Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Fuselaje sustentante y Blended Wing Body (BWB)
Burnelli OA1
NASA X-48
Sin embargo el concepto existe en todos los aviones comerciales actuales ya
que el fuselaje cilíndrico vuela con un ligero ángulo de ataque que
contribuye a la sustentación
La idea ha vuelto con lo que puede ser una configuración interesante para
una nueva generación de aviones de transporte: el Blended Wing Body
El concepto es parecido a un ala volante con un fuselaje/ala en delta central
que se funde con los paneles exteriores de las alas
El área mojada es pequeña y la sección central es muy profunda por lo que
hay una gran eficiencia estructural
El peso se encuentra distribuido los que contribuye adicionalmente a la
eficiencia estructural y poco peso
Sin embargo es un reto mantener la presurización en un fuselaje tan irregular
con un peso razonable. Puede ser una opción interesante para un carguero
El ingeniero Vincent Burnelli propuso que
el fuselaje se podía configurar para generar
sustentación y construyó varios prototipos
con éxito moderado. La idea era buena
pero, aparte de la pequeña ventaja
aerodinámica de un fuselaje formando un
ala de bajo alargamiento, estructuralmente
era complicado pasar los largueros del ala
a través del fuselaje conformado
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 19/32
19
37Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionalesCanard, ala doble, tres superficies
El primer avión con éxito (el Wight Fliyer I) era un canardVentajas de un canard:
La superficie del canard tiene sustentación positiva. Un estabilizador
horizontal trasero tiene sustentación negativa. Por tanto la sustentación
combinada puede ser superior y la resistencia menor (mejor L/D)
El canard se puede diseñar para que entre en pérdida antes del ala,
de forma que la pérdida produce un cabeceo que hace que se recupere
automáticamente
Desventajas de un canard:
Hay más masas alejadas del Xcg. Las alas no se encuentran cerca
del Xcg, si llevan combustible, esto puede suponer un desequilibrado
complejo de resolver
El momento para la superficie vertical con respecto al centro
aerodinámico es normalmente menor. Solución: ala en flecha con derivas
que actúan además como winglets (sinergia, Rutan Varieze)
Menor experiencia en la configuración: entrada en pérdida,
recuperación de barrenas, etcSi el canard crece, podemos hablar de alas en tándem. Posible influencia
del downwash del ala delantera en el ala trasera
Si además hay una superficie de cola, tenemos tres superficies. Las
ventajas pueden ser las de los canards, con una gran capacidad de trimar el
avión para mínima resistencia en todas las configuraciones
Curtiss XP-55
Beech Starship
Quikie
Piaggio Avanti
38Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Flecha negativa:Un ala con flecha negativa ofrece las mismas ventajas en la disminución
de la resistencia trans y supersónica que un ala en flecha positiva, pero
debe mejorar las características de entrada en pérdida
El flujo neto hacia los las puntas de una flecha positiva hace que se
engrose la capa límite en los extremos de las alas causando separación y
pérdida a altos ángulos de ataque. La pérdida en las puntas es peligrosa
porque los alerones son inefectivos en ese momento
Con una flecha negativa el flujo se produce hacia las raíces, de formaque la pérdidas se produce por el encastre. Esto es mucho mejor si no se
causa sombra aerodinámica sobre los estabilizadores. Por ello, los
prototipos ensayados hasta el momento son todos canard
El peligro es la divergencia estructural. Si se produce una torsión en la
punta del ala que aumente el ángulo de ataque, la sustentación aumenta y
produce más torsión, pudiendo provocar un fallo estructural
Una estructura convencional (de aluminio) suficientemente robusta para
resistir la divergencia estructural puede resultar pesada. Con estructuras de
materiales compuestos se puede disponer las fibras de forma que se
generen ejes elásticos que eliminen este peligro sin aumento de peso
Las ventajas de esta configuración sólo se revelan a altos ángulos de
ataque por lo que sólo puede ser interesante en aviones militares
Su37
Grumman X-29
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 20/32
20
39Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Aviones asimétricos:Un avión monomotor de hélice presenta siempre una gran asimetría:
aunque geométricamente sea simétrico el par motor y la incidencia del giro
del aire sobre las superficies del avión hacen que en la práctica
aerodinámicamente sea asimétrico. Los ingenieros de Blohm&Voss
reconocieron esto en el Bv141 que volaba equilibradamente y muy bien
Rutan ha utilizado una fórmula asimétrica en su bimotor Boomerang
juntando los motores y disminuir la asimetría en caso de parada de un motor
De la misma manera que se pude tener flecha positiva y negativa se
puede tener una ala oblicua o en tijera con la parte adelantada con flecha
negativa y la retrasada con flecha negativa. Esto es equivalente a todos los
efectos a una avión de flecha variable, pero con el mecanismo de variación
de la flecha enormemente simplificado y mucho más ligero.
Adicionalmente esta disposición oblicua ayuda a cumplir la regla del área
El único inconveniente es el de engrosamiento de la capa límite asimétrica
(hacia el encaste en el ala adelantada y hacia la punta en el ala retrasada).
Pero si no se corre el riesgo de entrar en pérdida asimétricamente de forma
descontrolada, esto puede ser aceptable
Grumman X-29
BV
-141
Rutan Boomerang
NASA AD-1
DOF DOFAla oblicua
Ala recta
Northrop Grumman Switchblade UAV concept
Rutan Ares
40Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Joined Wings:El concepto (Julian Wolkowitch) consiste en un avión con alas en tándem,
con flecha positiva la delantera y negativa la trasera, unidas por los bordes
marginales. Adicionalmente la delantera presenta diedro positivo y la trasera
negativo, por lo que la vista frontal y en planta se asemejan a un rombo
Estructuralmente presenta grandes ventajas ya que permite realizar grandes
triangulaciones que aligeraría la estructura del orden del 30% respecto a
aviones equivalentes. La estructura puede resultar rígida y muy ligera
Concepto NASA Dryden
Concepto Boeing
Adicionalmente debería presentar una baja
resistencia transónica ya que facilita
cumplir la regla del área
Como desventaja se encuentran las
incertidumbres en cuanto a estabilidad y
control y los posibles aumentos de
resistencia por interferencias entre
superficies
Sin embargo el concepto parece muy
prometedor para aviones de transporte
subsónicos
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 21/32
21
41Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Se han propuesto ejemplos de doble fuselaje para aviones de transporte. Laventaja es la distribución de la carga en dos puntos y las posibles ventajas de
desarrollar un avión a partir de uno existente (como en el F-82 twin mustang)
Fuselaje doble y carga distribuida:
Sin embargo el verdadero potencial de
distribuir la carga a lo largo de la envergadura
parece revelarse en los UAVs, de larga
autonomía. Como no hay piloto ni sistemas
asociados, se puede intentar distribuir toda la
carga (carga de pago, motores, posible
combustible) a lo largo del ala generadora de
sustentación de forma que la estructura puede
ser enormemente ligera. Los retos en el
diseño para evitar problemas de
aeroelasticidad y control son enormes
NAA F-82
NASA Helios DARPA Vulture (Odysseus)
DARPA Vulture (Concepto)
42Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Configuraciones no convencionalesConfiguraciones no convencionales
Aviones de efecto suelo (WIG Wing in Ground-effect):Un ala cerca del suelo (del orden de la mitad de la envergadura) presenta
una disminución de la resistencia inducidade más del 60% respecto al ala
en campo libre. El CL crece proporcionalmente, permitiendo volar con alas de
un tamaño mucho menor
Este efecto se ha investigado para diseñar aviones que vuelan cerca de la
superficie del mar (única forma de asegurar que la superficie es relativamente
plana), lo que obliga a reforzar el fuselaje como en un hidroavión
Los ingenieros de la oficina Beriev (especialistas en hidroaviones de laURSS) diseñaron el “Ekranoplan”,, un peso de cerca de 500Tm, y con
pequeñas alas aumentadas por efecto suelo y por el soplado de los motores
por el extradós. La velocidad era del orden de 430 Km/h
El ingeniero alemán Lippisch investigó el concepto de una forma más
modesta pero muy original, en sus modelos catamaranes de ala triangular
El concepto presenta problemas prácticos
importantes, pero puede ser una idea a
desarrollar para un transporte de carga
intercontinental a medio camino entre un
barco y un avión, para cargas pesadas y con
un consumo de combustible muy bajo
Beriev EKRANOPLAN
Lippisch X-114
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 22/32
22
43Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta Propulsora
Superficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
44Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Los Boeing BLos Boeing B--47 y 70747 y 707La configuración “standard” para los aviones subsónicos comerciales es la
inaugurada por el Boeing 707. El proceso de diseño de este avión es un
buen ejemplo de una revolución tecnológica en el diseño con pleno éxito.
En casi todos los aspectos el diseño del B707 empezó con el diseño del
bombardero estratégico B-47 a finales de los años 40. Los ingenieros de
Boeing habían estado trabajando sobre una especificación de la US Army
Air Force de abril de 1944 para un bombardero con cuatro de los nuevos
motores a reacción. Boeing, North American, Convair y Martin
respondieron a la especificación, todos con aviones de ala recta.
Sin embargo Boeing tenían alguna ventaja competitiva frente a las otras
compañías: disponía de un gran túnel de viento construido en 1941.
Además, por la insistencia del gran ingen iero Theodore von Kármán, el
túnel se diseñó para velocidades cercanas a las del sonido (hastaM=0,87), mucho mayores que las que cualquiera en Boeing tenía en
mente en 1941. El nuevo diseño de Boeing se benefició de la
disponibilidad de este túnel de viento desde el principio.
En la parte de arriba de la ilustración se muestran dos versiones de ala
recta del diseño XB-47. La de arriba a la izquierda tenía las góndolas de
los motores directamente sobre las alas en parejas, de forma similar a la
disposición de los cuatrimotores con motor alterna tivo del momento (el B-
29). El túnel de viento mostró que se producía una disminución en el
número de Mach crítico con esta disposición: los motores en las alas
comprometían las características a alta velocidad de las alas, de pequeño
espesor. La decisión fue mover los cuatro motores a la parte super ior del
fuselaje. Aunque esta disposición mejoraba la aerodinámica
enormemente, tenía grandes desventajas: difícil acceso a los motores, el
chorro de salida incidiendo directamente sobre la estructura, riesgo de
incendio, etc. Sin embargo parecía que había poco que hacer para
mejorar el diseño.
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 23/32
23
45Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Los Boeing BLos Boeing B--47 y 70747 y 707En ese momento llegó una carta de uno de los
ingenieros de Boeing que participaba en la operación“paperclip” (revisión de los avances tecnológicos de los
alemanes tras la segunda guerra mundial) en la que
informaba de los avances en las alas en flecha
realizados por los alemanes y aconsejaba investigar la
nueva configuración para el bombardero en diseño. Esto
era un cambio radical frente a los diseños anteriores: la
idea de las alas en flecha era totalmente nueva para la
mayoría de los ingenieros aeronáuticos en USA y nadie
tenía la menor experiencia con esta configuración. Sin
embargo los ingenieros de Boeing no se sentían
especialmente felices con su versión en ala recta del
XB-47, así que acogieron con interés el nuevo concepto.
No estaba claro cuál era la flecha más adecuada. Los
informes alemanes indicaban que la flecha mínima útil
era de unos 29º, pero los ingenieros de Boeing hicieron
multitud de pruebas con modelos en el túnel de viento
hasta alcanzar el compromiso de 35º. Más tarde, esta
misma flecha sería la del B707 (en modelos
subsiguientes Boeing utlizó desde 32º en el B727 hasta
37.5º en el B747, más o menos centrada en la selecciónrealizada para el XB-47).
Uno de los grupos de diseño conceptual (con algunas
reticencias dentro de la compañía) se dedicó a
desarrollar esta idea para llegar al concepto ilustrado en
la parte media del dibujo a la derecha: alas en flecha y
motores en el fuselaje.
Sin embargo, cuando los jefes de diseño (Ed Wells y Bob
Jewett) lo presentaron a la Oficina de Proyectos del USArmy Air Force en octubre de 1945, fue rechazado por la
disposición de los motores. En un ataque de
conservadurismo o de racionalidad solicitó que los motores
se montaran en las alas, como en los bombarderos de la
época.
En el viaje de vuelta a Seattle Wells y Jewett concibieron la
idea de montar los motores en góndolas (pods) separadas
del ala, soportadas por struts. Esta era una idea radical para
la época pero se pudo desarrollar y refinar gracias al túnel
de viento. Los resultados mostraron que si se los pods se
montaban suficientemente bajos de manera que el chorro no
interfiriera con los flaps, y si estaban suficientemente
adelantados como para que la salida de gases quedara
aproximadamente alineada con el borde de ataque del ala,
no se producía prácticamente ninguna interferencia entre los
motores y el ala. Es decir que el ala funcionaba tan bien
como si los motores no estuvieran.
La configuración final del XB-47 se muestra en la parte baja
de la ilustración. Adicionalmente a la flecha de 35º y a los
motores instalados en pods bajo las alas, el alargamientoera excepcionalmente alto (9.43), mucho mayor que
cualquier otro avión con ala en flecha concebido en l época.
El espesor del ala era delgado (12%) con el fin de mantener
un mach crítico alto, lo que impidió poder re traer el tren en
las alas. Así que se eligió un tren biciclo: dos trenes
principales alineados en el fuselaje con ruedecillas auxiliares
de equilibrio en las alas..
46Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Los Boeing BLos Boeing B--47 y 70747 y 707El primer vuelo del XB-47 se hizo en diciembre de 1947 pero
la USAF no mostró especial interés por el revolucionario
aparato, posiblemente debido a las pobres prestaciones de
los bombarderos reactores probados hasta la fecha.
Finalmente, cuando se descubrió que el avión presentaba un
15% de resistencia menos que la prevista (lo cual era muy
importante para un bombardero estratégico, ya que el alcance
es mucho mayor) tanto los responsables de Boeing como los
de la USAF se dieron cuenta que el avión era algo especial.
Al final la USAF compró cerca de 2000 aparatos.
Así el diseño del B-47 presentó un salto tecnológico que
introdujo nuevos conceptos en la era del jet. Las alas en
flecha y los motores en pods eran conceptos tecnológicosradicales que permitieron un salto cuántico en las
performances, introduciendo los que es norma en los futuros
aviones de transporte de reacción hasta hoy en día. No
menos importante fue el uso intensivo del túnel de viento para
probar cada uno de los conceptos de una manera
sistemática, en lo que también fue una forma de diseñar
novedosa en la época.
Las características novedosas del B-47 se mantuvieron en el
B707. El diseño del B-47 fue revolucionario, y el del B707 fue
una evolución. Se mantiene la flecha de 35º, los motores en
pods, el elevado alargamiento y el pequeño espesor del ala, y
la flecha en las superficies estabilizadoras. Las principales
diferencias son que el ala se pasa a posición baja para
permitir una cubierta de pasaje despejada y se introduce un
tren de aterrizaje triciclo.
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 24/32
24
47Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Los Boeing BLos Boeing B--47 y 70747 y 707Los diseños del B707 y del Comet son muy di ferentes
como se aprecia en la il ustración. El Comet tenía unaflecha moderada de 20º, sin flecha en las superficies de
cola. Los cuatro motores estaban alojados en los
encastres de las alas, quitando espacio a los depósitos de
combustible (parte del combustible hubo que alojarlo en
depósitos alares externos en forma de bulbo, lo que no es
necesariamente malo si sirve para cumplir la regla del
área, aunque no era este el caso). Peor aún, las alas
debían tener un espesor muy grande reduciendo el Mach
crítico. Así que las prestaciones del Comet eran mucho
más modestas que las excelentes del B707 (el Comet
tenía una velocidad de crucero de Mach 0.74 a 35.000 ft,
mientras que el B707 volaba a Mach 0.87 a 30.000 ft, el
Comet tenía un alcance de 1750 M mientras que el B707
alcanzaba 6240M). El B707 sentó el modelo de lo que hoy
entendemos como el estándar de los transportes a
reacción, mientras que el Comet no tuvo mayor impacto en
los diseños futuros.
Adaptado por JDP de “The Airplane, a History of his
Technology” de John D. Anderson
El prototipo del B707, el Dash-80, ancestro de todoslos aviones comerciales actuales El prototipo del DH 106 Comet
48Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 25/32
25
49Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Consideraciones especialesConsideraciones especiales
Consideraciones aerodinámicas:La minimización del área mojada es una de las consideraciones principales para cualquier
avión. La resistencia de fricción es proporcional al área mojada, por lo que se deberá tender a
minimizar los tamaños del fuselaje, superficies estabilizadoras o el ala, suponiendo que todos
cumplen adecuadamente su función
Se deberá intentar mantener la capa límite laminar al máximo. Sin embargo la capa límite
laminar se desprende mucho antes que una turbulenta. Por tanto donde haya peligro de
desprendimiento es mejor convertir la capa límite en turbulenta, o energizar la capa límite
mediante “turbuladores” o similar
Se debe evitar una reducción en la sección trasera del fuselaje demasiado brusca para evitar
el desprendimiento. Esto puede ser especialmente difícil en el caso de aviones de transporte
con portalón trasero
Se debe prestar atención a la regla del área en los aviones que alcancen
velocidades transónicas. El cuerpo de menor resistencia transónica es la
distribución fusiforme de Sears-Hack. La regla del área dice que cualquier
cuerpo que tenga una distribución longitudinal de áreas similar a la de Sears-
Hack tendrá esta resistencia transónica mínima. Esto significa que en la zona
de las alas el fuselaje se debe estrechar y evitar en general cambios bruscos
en la sección longitudinal. Esto se aprecia en aviones como el Convair F-106
o el Dassault Mirage III, con un característico fuselaje en forma de botella de
CocaCola que compensa las sección de las alas en delta
50Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Consideraciones especialesConsideraciones especiales
Consideraciones estructurales:El diseño de la estructura es normalmente responsabilidad de un grupo de diseño especializado.
Sin embargo el grupo de diseño conceptual debe tener en consideración el impacto en la
estructura de las decisiones pare facilitar que se pueda diseñar una estructura eficiente
Una configuración ideal de los elementos sería aquella en que los pesos coinciden con las
fuerzas de sustentación, es decir que los elementos principales están en las alas. El extremo
sería un ala volante, pero pueden haber aproximaciones como situar elementos pesados en las
alas, como los motores, los depósitos de combustible o el armamento
Las alas tiene largueros que normalmente deben atravesar el fuselaje (caja central estructural).Si esto no es posible (por ejemplo en una avión militar con ala media y un motor central en el
fuselaje) se deben pasar los esfuerzo mediante mamparos anulares, enormemente pesados y
estructuralmente ineficientes
Las cargas puntuales, como los trenes de aterrizaje, deben coincidir con mamparos
estructurales
Si el fuselaje está presurizado se deben tener clara la ubicación de los mamparos de
presurización (normalmente uno anterior, uno posterior y semimamparos para pasar el cajón
estructural del ala)
Las ventanas, puertas y demás cortes en al estructura requieren pesados marcos para pasar los
esfuerzos. Cuantos menos haya, mejor
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 26/32
26
51Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Consideraciones especialesConsideraciones especiales
Consideraciones en aviones militares:La detectabilidad al radar (tecnologías “Stealth”) son toda una
ciencia. En la actualidad todo avión militar incorpora algunas
características Stealth en alguna medida. Si esta es la
característica principal, el diseño se verá fuertemente restringido
por la misma. Esto implica superficies planas en facetas (primera
generación Stealth como el F-117) o la repetición de los ángulos
característicos (seguna generación Stealth como el B-2), esconder
los motores, evitar cualquier protusión en el fuselaje, etc.
La detectabilidad a los infrarrojos es otra consideración, pues la
mayoría de los misiles de corto alcance llevan cabeza de
infrarrojos. El método principal es conseguir enfriar el chorro de
salida de gases al máximo, por ejemplo utilizando un turbofan con
alta relación de derivación o escondiendo la salida de gases al
máximo (por ejemplo entre las derivas como en el A-10)
Las consideraciones de vulnerabilidad llevan a la protección de
los depósitos de combustible, piloto, depósitos de municiones y
motores
Lockheed F-117
NorthropB-2
Fairchild A-10
52Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Consideraciones especialesConsideraciones especiales
Consideraciones en accidentes (“crashworthiness”):Los aviones se estrellan, y algunas precauciones en la fase de diseño de configuración
pueden evitar daños a las personas
Se debe evitar que el plano de una hélice corte al fuselaje en una zona con pasaje, aunque
esto no siempre es posible
No se deben alojar depósitos de combustible en el fuselaje de una avión de trasporte
comercial de pasajeros, lo cual está explícitamente prohibido por las normas de certificación
civiles (EASA CS25, FAR25)
El fuselaje debería diseñarse para actuar como un amortiguador en caso de impacto,absorbiendo la energía poco a poco mediante deformación. Esto es un comportamiento más o
menos natural en un fuselaje metálico de aluminio, pero hay ciertas incertidumbres sobre el
comportamiento de las nuevas estructuras de material compuesto, mucho más rígidas
Lo motores en las alas son masas absorbentes de energía, lo cual es una configuración mejor
que el motor en cola, si bien el peligro de incendio es mayor en la primera configuración
Por el contrario en caso de amerizaje, los motores en las alas se pueden clavar en el agua. Es
mucho más sencillo amerizar de emergencia con un avión con motores en la cola
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 27/32
27
53Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
Consideraciones especialesConsideraciones especiales
Consideraciones de producción y mantenimientoLos costes de producción se pueden reducir mediante algunas consideraciones en la fase de
diseño conceptual. Por ejemplo las superficies regladas son mucho más fáciles de fabricar que
las de doble curvatura. La comunalidad de partes (por ejemplo izquierda y derecha) reduce los
costes
La modularidad en partes simplifica la producción. Actualmente esto es un criterio fundamental
porque cada vez más las partes estructurales son fabricadas por subcontratistas distribuidos a lo
largo del mundo. En diseño conceptual se pueden tomar decisiones principales para facilitar la
modularidad en la fase de diseño preliminar y detallado
El criterio principal para la mantenibilidad en el diseño conceptual es el fácil acceso de todos
los componentes. Se debe poder acceder y desmontar todos las partes principales del avión,
como motores, trenes de aterrizaje, APU, accesorios mecánicos, paneles electrónicos, etc
Los motores en pods es la configuración más accesible. Los motores en el interior del fuselaje
es la peor
Se deben proveer accesos (puertas y paneles desmontables) a los elementos interiores. Estos
está reñido con los criterios de eficiencia estructural
54Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
ContenidosContenidos:
Introducción
Fuselaje
Ala
Planta PropulsoraSuperficies de Cola
Tren de Aterrizaje
Anexo 1. Nº de motores en un avión comercial
Anexo 2. Configuraciones no convencionales
Anexo 3. El diseño de los Boeing B-47 y 707
Anexo 4. Consideraciones especiales en el diseño de configuración
Anexo 5. Preguntas y aclaraciones de años pasados
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 28/32
28
55Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas
¿Cómo se realizan en la practica los alargamientos defuselaje en un avión de transporte?Los fabricantes suelen diseñar una modelo “base” y desarrollan variantes alargadas y acortadas
eliminando o añadiendo secciones cilíndricas por delante y por detrás de las alas, para mantener el
equilibrio. Por ejemplo, el modelo base de la familia Airbus A320 es el A320, el alargamiento es el
A321 y los acortamiento los A319 y A318
56Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas
Un caso un poco atípico es el de la familia del Bombardier CRJ. El modelo base es el CRJ-200,
el más pequeño, que ha sido sucesivamente alargándose en los CRJ-700, CRJ-900 y ahora el
CRJ-1000 (Nota: el actualmente llamado CRJ-1000 se comenzó llamando comercialmente CRJ-900X)
CRJ700Up to 78 seats
CRJ900
up to 90 seats
CRJ900X
up to 104 seats
CRJ200
50 seats
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 29/32
29
57Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas
CRJ900X is an evolution of the CRJ700 and CRJ900A Major Redesign of the CRJ100/200
Component CRJ100/200 CRJ700/900 CRJ900XWing Base New Extended & Reinforced
Winglet & flap/slat laws on CRJ900
Fuselage Base New Extended & ReinforcedCockpit Base Re-designed Common
Empennage Base New Common
Horizontal Tail Base New Common
Aft Press Bulkhead Base New Common
Entry in Service 1992 2001/2003 2008
58Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntasCommon• NLG
• Empennage
• Tailcone & APU
• Cockpit
• Engine
Fuselage• 1.58 m (62”) fwd and 1.37 m (54”) aft
• Extended Centre Barrel Section
• Integral Fuselage extension
• Lap joints with Aerolok rivets
• New larger passenger windows
Wing• 7.5% Trailing Edge Extension
• 0.66 m (26”) Wing Tip Extension
• Max flap setting changed from 45º to 40º
• Reinforced Structurally
• Common Aerodynamically
Powerplant
• GE CF34-8C5• + 2% Thrust (NTO)
• Optional + 5% Thrust
Landing Gear • MLG Reinforced
• Upgraded Rolling Stock
• Carbon Brakes (lower weight)
CRJ900X Change Summary
Baggage Compartments• increased volume in both Aft
and Forward Compartments
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 30/32
30
59Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas¿Un avión de ala alta trasmite las turbulencias al pasaje
más que un avión de ala baja?La trasmisión o la amortiguación de las turbulencias encontradas durante el vuelo al pasaje está
más relacionada con la flexibilidad del ala que con la posición vertical respecto al fuselaje. Un ala
más rígida hace que se sienta en la cabina de pasaje todas las turbulencias exteriores. Un ala
flexible las amortigua
La rigidez o flexibilidad del ala no está relacionada con la posición vertical. La única excepción es
que se trate de un ala alta atirantada por el intradós. En general el atirantar por el intradós es una
solución aceptable o al menos una opción a investigar ya que perturba aerodinámicamente el ala
mucho menos que un ala atirantada por el extradós (que ya no se utiliza en ningún diseño
moderno). Un ala alta atirantada es una solución estructuralmente muy ligera en comparación con
cualquier ala en cantilever (en voladizo), pero siempre conduce a una ala más rígida
Cessna 172 Piper Archer
La estructura del ala de una Cessna es más ligera que la tradicional de Piper. La triangulación del tirante hace
que el ala sea también más rígida. Sin embargo en aviones ligeros de este tipo las diferencias son pequeñas (la
trasmisión de turbulencias es bastante similar en ambos modelos)
60Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntasEso del downwash y su modificación por el efecto suelo
no se ha entendidoNo se entiende porque había un error en la diapositiva 17 (ya corregido en 2009)
La incidencia (geométrica) it del estabilizador vertical es negativa respecto a la línea de cero
sustentación del ala. En condiciones normales el ala tiene una ángulo de ataque positivo αW
respecto a esta línea de sustentación nula (ya que el ala tiene sustentación positiva) y el
estabilizador también. Sin embargo el ángulo de ataque del estabilizador horizontal αt es menor
que el del ala debido a:
La incidencia geométrica negativa it
El ángulo de downwash εEn concreto αt=αW-it-ε
Al presentarse el efecto suelo, el ángulo de downwash ε disminuye, por tanto el ángulo de ataque
del estabilizador respecto a la corriente local aumenta, y aumenta por tanto la sustentación en el
estabilizador vertical (justo lo contrario que ponía en la diapositiva 17), por lo que se produce un
momento de picado
De la misma manera la sustentación en el ala aumenta (es un efecto transitorio, ya que L=W en
general, pero este es el instante de la aceleración vertical del redondeo en aterrizaje), aunque con
una menor deflexión de la estela, es decir con menor downwash por el efecto suelo. El centro de
presiones del ala está delante del Xcg (condición indispensable de estabilidad longitudinal
estática), por tanto el efecto es de encabritado
El efecto combinado puede ser de picado o encabritado o compensarse
Se ha corregido la diapositiva 17 en el documento colgado en la web de la asignatura. !Corregid
la página correspondiente! Siento el error (ya corregido en la versión de 2009)
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 31/32
31
61Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas
62Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
PreguntasPreguntas
De todas maneras el efecto del downwash sobre la cola en el diseño conceptual de aviones se
suele tener en cuenta sólo a efectos de calcular la incidencia geométrica del estabilizador
horizontal, y se suele estudiar la situación de crucero, no de aterrizaje. Predecir el comportamiento
del avión por modificación del downwash por el efecto suelo es prácticamente imposible (o al
menos los efectos quedan cubiertos por las imprecisiones de los modelos de estimación inicial
iniciales)
La aproximación que se suele tomar para el efecto del doswnwash del ala en la cola es la de
aproximar la distribución de sustentación del ala por la elíptica, de forma que la expresión de los
torbellinos es manejable analíticamente. Como sabemos, la distribución de sustentación en nuestroavión no va a ser elíptica, por lo que introducir las modificaciones en el downwash por el efecto
suelo se puede hacer, pero no creo que vaya a aportar precisión adicional
En cualquier caso, la idea de comentar sobre este efecto era simplemente saber que puede
existir. No es un criterio de selección de configuración importante
5/12/2018 Tema 01 - Configuración - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/tema-01-configuracion 32/32
32
63Cálculo de Aviones Tema 1 Configuración General Curso 2009/2010 - Juan A. Díaz - [email protected]
BibliografíaBibliografía
Roskam Vol 2, Cap 3, 4 y 5
Torenbeek, Cap 2
Raymer, Cap 8 y 22
Apuntes ETSIA Cálculo de Aviones, R. Martínez-Val, Tema 3
Apuntes US Cálculo de Aviones, S. Esteban, Tema 1