INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

I

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

"La Técnica al Servicio de la Patria"

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y

ELECTRICA

Unidad Profesional "

TICOMAN

"

TESIS INDIVIDUAL

"DISEÑO PRELIMINAR DE UNA AERONAVE BIPLAZA MONOMOTOR

PARA USO PERSONAL EN MEGACIUDADES DEL 2030"

Que para obtener el

Título de Ingeniero en Aeronáutica

presenta el C. Pasante

Vargas Hernández Pedro Gerardo

VII

AGRADESCO A:

DIOS por su provisión, su cuidado, y sus misericordias para conmigo, esta tesis es para su gloria y honra y nada más.

MIS PADRES por su incansable apoyo en todas etapas de mi vida, por ser mis mejores amigos y consejeros y por ayudarme a alcanzar mis objetivos. A todos los que compartieron conmigo noches

enteras en el taller de aeromodelismo, por compartir conmigo sus conocimientos, experiencias y tiempo, definitivamente los mejores wingmen que alguien pueda tener.

MI MAESTRO DE MAESTROS, mi amigo el Ing. Carlos Crespo Y Mena mi mentor durante toda mi carrera, por enseñarme con paciencia, diligencia, esmero y sobre todo con amor y pasión mismo que me transmitió desde mi primer día y hasta este momento, GRACIAS por todo Inge que DIOS me lo bendiga mucho.

A mi novia por su incansable animo y apoyo en terminar la tesis mi bendición de vida, y un motor de impulso para mí.

A mi asesor de tesis el Ing. Fausto por su exigencia y retos además de brindarme la oportunidad de demostrar que un chico humilde de 2o. año puede convertirse en un buen Aeronáutico.

Mis todos mis profesores y a la ESIME Ticoman por su conocimiento transmitido a los largo de los años y a mis compañeros que hicieron de cada día una increíble aventura llena de retos.

Para la GLORIA Y HONRRA de mi DIOS BENDITO SEA SU NOMBRE POR LOS SIGLOS DE LOS SIGLOS AMÉN.

1

INDICE

Introducción Pág. 4

Justificación del proyecto. ... Pág. 5 Objetivo General. ... Pág. 6 Objetivos Específicos. ... Pág. 6 Alcance. ... Pág. 7 Hipótesis. ... Pág. 7

MARCO TEORICO

Metodología del diseño

CAPITULO 1

"Aproximación Conceptual"

1.1 El diseño Conceptual. ... Pág. 17 1.2 Conceptos para el Diseño. ... Pág. 18 1.3 Perfil de Misión. ... Pág. 20 1.4 Configuración de la Aeronave. ... Pág. 21 1.5 Ala. ... Pág. 31 1.6 Diseño Asistido por Computadora. ... Pág. 35

2

CAPITULO 2

"Diseño Aerodinámico"

CAPITULO 3

"Balance y Obtención de Cargas en el Avión"

3.1 Balance del Avión. ... Pág. 66 3.2 Envolvente de Vuelo. ... Pág. 69 3.3 Coeficiente Normal y Cordal. ... Pág. 82 3.4 Condiciones de Vuelo. ... Pág. 85 3.5 Balance de Fuerzas del Avión. ... Pág. 87

CAPITULO 4

"Propuesta Estructural del Ala"

4.1 Cálculo de la carga en el ala. ... Pág. 92 4.2 Diseño de las vigas, principal y secundaria. ... Pág. 93 4.3 Propuesta Estructural del ala. ... Pág. 98

3

CAPITULO 5

"Principios básicos de Materiales compuestos y HITS"

5.1.1 Los materiales compuestos en la aviación. ... Pág. 105 5.1.2 Partes en aviones de materiales compuestos más comunes. ... Pág. 107 5.1.3 Procesos de manufactura para materiales compuestos. ... Pág. 110 5.2 HITS "Highway in the sky". ... Pág. 123 5.2.1 Uso y aplicación. ... Pág. 123

BIBLIOGRAFÍA. ... Pág. 126

CONCLUCIONES. ... Pág. 128 APENDICE A INDICE DE FIGURAS, TABLAS Y GRÁFICAS ………... Pág. 129

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INTRODUCCION

Se realizará un estudio estadístico en el cual se comparan diferentes aeronaves con el objetivo de determinar la configuración más óptima así como el tamaño, potencia requerida y peso aproximado de la aeronave que se pretende diseñar preliminarmente, el objetivo de esta tesis es ofrecer una idea general de las características de un avión para realizar el estudio aerodinámico y la propuesta estructural del ala, así como la introducción a diseños con materiales compuestos, dando a los alumnos una idea de un diseño preliminar y lo que se puede lograr con las nuevas tecnologías.

En el estudio aerodinámico, se determinará la figura de mérito (peso total al despegue) y posteriormente se procederá a la construcción de la gráfica polar de la aeronave, tomando en cuenta la geometría de la aeronave, la carga alar, y las velocidades, de forma tal que podamos obtener la gráfica polar para dar paso a un capítulo donde se realizara la envolvente de vuelo, el balance del avión y la determinación de las cargas aerodinámicas.

En el análisis del capítulo 4 se realiza la propuesta estructural del ala, se pretende determinar las cargas que debe soportar, el número de tableros, vigas, etc. Se considera que podemos utilizar materiales compuestos en las superficies de control, sin embargo debido al costo y tiempo que esto lleva no se realizara el estudio ya que solo será una propuesta.

En el capítulo 5 se presentará la teoría sobre materiales compuestos y los procesos más importantes para la manufactura de materiales compuestos, también se presenta una investigación acerca de los HITS (Highway in the Sky) para presentar un diseño preliminar de una aeronave personal.

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JUSTIFICACION

Según las predicciones para el año 2030 la población aumentara dando lugar a nuevas mega-ciudades como las que conocemos hoy en día, tales como el Distrito Federal , New York, Paris, etc.

Como ejemplo práctico de lo anterior sería que al cerrar un negocio, ¿Cuántas veces un empresario toma un avión o un helicóptero para ir a otra ciudad? y ¿Qué pasaría si su empleo estuviera en otra Mega-Ciudad?, ¿Que necesitaría para trasladarse?, un avión que sea rápido y con un alcance suficiente tanto para trasladarse en la Ciudad, y hasta otra Mega-Ciudad.

Los aviones personales son la respuesta a la anterior pregunta, una aeronave que nos permita ir del punto A al punto B de una forma confortable y rápida.

Es por esta razón que la tesis presenta el diseño preliminar de una aeronave no convencional y personalizada, si realizamos la comparativa de la industria aeronáutica y automotriz, el impacto social que tienen, en el futuro los aviones cambiaran por lo tanto los diseños actuales deben cambiar, muchas empresas actualmente buscan nuevas formas de diseñar y nuevos diseños atractivos, además de introducir e interesar a los Aeronáuticos en el diseño de aeronaves.

La forma de visualizar un avión cambiara de únicamente un tubo con ala a un nuevo diseño más atractivo y personal.

En cuanto a la comodidad y el confort habrá avances increíbles ya que las personas pasaran tiempo dentro de sus aviones, es por eso que el principio es similar a los autos.

Con este patrón diseñaremos un avión nuevo en apariencia y tecnología, personalizado que generara un impacto social que nos permita en un futuro volar a todos y que un avión se convierta en el transporte diario del futuro.

Fig.1 Crecimiento poblacional para el año 2050 3n ciudades con más 7500 habitantes. Figura 1 Proyección demográfica para 2030

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OBJETIVO GENERAL

Desarrollar el diseño preliminar de un avión biplaza, basados en la tecnologías actuales como el uso de instrumentos de indicación de vuelo digitales y materiales compuestos que aumenten la eficiencia y la facilidad de vuelo regresando la diversión, fiabilidad y accesibilidad a sus usuarios, así como mostrar los principios y grupos básicos del avión a los alumnos desde 1er. semestre y hasta egresados.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.-Diseñar un avión personal, y agradable en cuanto a la comodidad y personalidad para el mercado futuro.

2.- Dotar a la sociedad futura de un transporte rápido y que cubra grandes distancias, formando puentes invisibles de comunicación entre las Megaciudades.

3.- Crear un diseño agradable a la vista y de fácil pilotaje.

4.- Diseñar un interior en el que el usuario se sienta cómodo y rodeado de un espacio agradable.

5.- Generar una Tesis didáctica que ayude a entender el diseño de aeronaves a las personas.

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ALCANCE

Esté trabajo se enfocara específicamente a el diseño preliminar de un avión biplaza, en cuanto a apariencia agradable y de un alto nivel ergonómico que permita una comodidad excepcional capaz de cubrir distancias entre mega-ciudades.

El DISEÑO PRELIMINAR de la aeronave biplaza incluirá comentarios acerca de sistemas de navegación tipo "HITS" (HighWay in theSky)[8], y sobre materiales compuestos ya que pretende que este mismo sea manufacturado con materiales compuestos, y así tomarlo en cuenta a la hora del diseño a detalle.

Además de explicar conceptos para apoyo de los alumnos desde primero hasta octavo semestre para entender de una mejor manera el avión, sus partes, los parámetros a tomar en cuenta en el diseño y su construcción, así como de conceptos básicos en Aeronáutica, por lo que la tesis toma una importancia didáctica.

HIPÓTESIS

Si desarrollamos un nuevo diseño conceptual que proponga nuevas formas, con tecnologías como el HITS, ayudas digitales en la aeronavegabilidad y materiales compuestos, entonces se cubrirán las necesidades de transporte futuro que sea accesible a las personas.

________________________________________________________________________________

[8]

Impact of Aviation Highway-in-the-Sky Displays on Pilot Situation Awareness PDFDOT/FAA/AM-00/31.

8

MARCO TEORICO

El objetivo de la presente investigación es proporcionar datos históricos y en este caso predictivos del tema a tratar, se presentan aquellos proyectos que cuentan con una similitud con este proyecto y sus características para tener una idea de lo que el diseño preliminar puede contener.

ANTECEDENTES

Comenzamos con una breve historia de lo que ha sido el desarrollo de las aeronaves personales, para dar una idea panorámica del cómo y el porqué del diseño de aeronaves.

En la prehistoria de la aviación lo más importante era surcar los cielos de alguna manera, a diferencia de muchos inventos la aviación no inicio como una necesidad si no por la curiosidad del hombre de volar al igual que las aves, probablemente de una manera poética "el hombre se sentía atado al suelo de forma que inicio su aventura en el inmenso espacio aéreo". El gran salto de la curiosidad al diseño conceptual fue en realidad simple iniciativa, una idea llevada al papel y en algunos casos a la práctica, la historia indica el inicio de la aviación con los hermanos Wright, pero en realidad los diseños fueron muchos y variados como por ejemplo aquellos diseños que consistan únicamente en un par de alas con plumas, hasta diseños más complejos como los del inventor Leonardo Da Vinci[9].

Sin embargo no fue sino hasta que los hermanos Wright realizaron el primer vuelo reconocido, aunque de tras de este gran paso existe un diseño de ingeniería que cabe mencionar fué de prueba y error, dando como resultado los inicios de la aviación como ciencia, el primer vuelo de los hermanos Wright tuvo una duración 12 segundos convirtiendo así a los dos hermanos en los padres de la aviación.

Los hermanos eran constructores de bicicletas, con los conocimientos de esta actividad iniciaron una serie de experimentos rudimentarios para determinar la acción de diferentes formas cuando estaban en contacto con el aire, generando lo que se le llamo el primer túnel de viento, este experimento consistía en la comparación del arrastre de los perfiles que ellos proponían y una placa plana y a la vez entre ellos mismos.

A pesar de que los primeros en ser reconocidos fueron los hermanos Wright, existieron algunos modelos anteriores al Type A de los hermanos Wright el 8 de agosto de 1908, en su mayoría desde 1907 vistos en Francia, dos modelos no precisamente Franceses pero fueron el modelo de Santos Dumont y el H.F.1 de Voisin Henri Farman, en noviembre de 1907 y el 7 de octubre de 1907 respectivamente Ref. Bibliográfica 1

.

____________________________________________________________________

9

Como se comentó la curiosidad del humano por volar como las aves lo llevo a crear un aparato que se lo permitieran desde ese entonces los pioneros de la aviación han disfrutado de volar más sin embargo como en los primeros intentos en realidad siempre se ha buscado un vuelo personal y divertido de hecho si observamos mejor las proyecciones futuras de una ciudad es ver carros voladores lo que nos indica las tendencias para un futuro en las ciudades.

Con base en esto se han creado y evolucionado las teorías y las técnicas para alcanzar este sueño. Una, la principal es el despegue y aterrizaje vertical o bien como se verá en este trabajo el despegue y aterrizaje cortos, para que en la aviación personal pueda generarse un impacto este es el reto para los diseñadores de la futura vida.

En los últimos años esta idea ha ganado importancia y un claro ejemplo de ello es el Carter Copter[1]. El 17 Junio del 2005 realizo su primer vuelo sin embargo se estrelló en el siguiente y continua en desarrollo.

Otro carro volador por llamarlo así fue el MollerSkyCar[2] el cual hasta la fecha es uno de los más adelantados sin embargo su desventaja es el ruido y la inestabilidad al despegue.

En el año 2012 en Japón se han creado modelos conceptuales, algunos de los cuales han revolucionado la forma de diseñar aviones personales más sin embargo la tecnología aun no ha logrado garantizar la seguridad en este tipo de transportes por lo que lo más cercano, eficiente y aterrizado sigue siendo un avión pequeño lo más personalizado posible, un claro ejemplo de ello es el ICON A5[3], o los modelos como el BD-5[4] de Burt Rutan, cabe mencionar que algunos de estos diseños Japoneses antes mencionados ya están en uso.

Otro modelo que fue en este caso el más inspirador es el denominado Cri-Cri este avión en extremo pequeño y sencillo es muy útil y genera una sensación muy agradable, Un piloto francés llamado Nicolas Charmonth instalo 2 turbinas AMT Olympus en su Cri-Cri. El Cri-Cri pesa 170 Kg, su velocidad es de 240 Km/h con los dos motores y con uno solo llega hasta los 160 Km/h.

El Personal Cruiser es un nuevo monoplaza en el cual se han utilizado los últimos métodos de fabricación en materiales compuestos para reducir el tiempo de armado aumentar la eficiencia aerodinámica y el peso.

Los objetivos del diseño han sido obtener un avión seguro, económico, divertido de volar, simple y rápido de construir. Además de proporcionar ideas y cálculos para guía de los alumnos. _______________________________________________________________________________

[1]

Es una variante experimental de un autogiro desarrollado por Carter Aviation Technologies para demostrar la tecnología de un rotor alentado.

[2]

Cuatrimotor desarrollado por Ferrari.

[3]

Desarrollo de un avión de uso personal (Video Documental “Los aviones del Futuro”)

[4]

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Los anteriores son solo algunos de los aviones predecesores de tipo personal más sin embargo cada uno tiene algo que aportar al proyecto en el que se trabaja actualmente, por ejemplo el ICON-A5 aporta el sentido de diversión y un estilo moderno de presentar a la sociedad un modelo de avión fácil y atractivo, sin embargo solo tiene una autonomía de 15 min.

A través de algunos estudios realizados por el Instituto de tecnología y desarrollo de la universidad de Marietta Georgia, se comprobó que una de las afirmaciones más importantes que nos permiten hacer la sugerencia de un avión personal es que:

Las personas que no son pilotos podrán volar su propio avión.

Lo anterior sobre lo cual está basado el diseño de la cabina del ICON-A5, proviene de la idea que "si sabes manejar un automóvil, puedes pilotear un avión" comentan los diseñadores de la aeronave ICON A5, esto dio la pauta para que las aeronaves que pretenden ser personalizadas se convirtieran tanto en su interior como en su exterior a algo muy similar a un automóvil.

A continuación se presenta una imagen de esta ideología: Fig. 2-Cabina Conceptual de un automóvil para el

año 2016 de la Armadora MAZDA de Japón.

Esto nos da una idea más clara de lo que se quiere lograr con este proyecto, ya que si logramos que la gente se sienta cómoda teniendo contacto con algo que ya conoce es aún más probable que lo acepte, se pueda divertir y utilizarlo como alternativa de transporte.

Otro punto importante que vamos a analizar es un poco donde estamos parados. Para ello presentamos una serie de aviones que posteriormente nos ayudaran a definir las dimensiones, potencia y peso estimados de la aeronave de forma estadística.

Estos aviones se conocen como homebuilt[5] pero también hay agregados de single-site[6] al igual que los denominados Aircraft Light Sport (LSA) que actualmente son comunes en Europa y los Estados Unidos.

[5]

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METODOLOGÍA DE DISEÑO

En la presente investigación se muestran las bases del diseño preliminar de una aeronave personal, para ello primeramente debemos analizar que es diseñar, se debe tomar en cuenta que el diseño o bien el diseñador no es lo mismo que el ingeniero, en este caso específicamente un ingeniero aeronáutico más aún, un diseñador de aeronaves (Ingeniero Aeronáutico) debe ser multidisciplinario, eso quiere decir que un diseñador debe diseñar con base en muchas otras especialidades, (materiales, aerodinámica, estructuras, motores, térmica, principios de manufactura, etc.)

La diferencia es únicamente que el ingeniero analiza los datos y con tal análisis puede mejorar significativamente los diseños y corroborarlos. Por otra parte el diseñador debe poder hacer el trabajo de un ingeniero ya que para el diseño preliminar es necesario analizar y realizar cálculos iterativos que nos lleven a un diseño mejor y con alcances superiores al conceptual de forma que en el diseño preliminar se planteen los alcances de dicha aeronave diseñada, en el caso de este trabajo llegar a una propuesta estructural, que puede cambiar pero sin modificar las formas generales.

En realidad el producto de un trabajo de diseño siempre terminara con un dibujo esto indica que el producto del diseñador es un dibujo y la generación de conocimiento, en este punto hacemos referencia que en la actualidad existen paqueterías de computación que permiten realizar estos dibujos de forma que los detalles se pueden revisar y corregir desde que el diseño conceptual está en proceso.

El CAD (compute-aided-design) por sus siglas en Ingles, ayuda tal y como su nombre lo dice al diseño y no solo el conceptual si no también el análisis tanto estructural como de fluidos esto nos refiere al CAE (compute-aided-enginer), tan solo con estas dos nuevas herramientas nos damos cuenta que la tecnología está presente desde el diseño conceptual ahora bien esto significa que el diseño conceptual y el diseño preliminar terminan con un producto muy aproximado a lo que será después el diseño final o a detalle.

Existen varios puntos a tomar en cuenta en el diseño, libros como el Raymer y el Edison da Rosa entre otros que se muestran en la bibliografía, abordan este tema de manera muy especial ya que es claro que relacionar cada uno de los pasos he iterar en cada uno de forma que se retroalimenten como se tratará después dará como resultado un diseño innovador que se espera partirá de este diseño Preliminar.

Para explicar el proceso de diseño nosotros ocupamos la Ref. [1] esto debido a que en su libro maneja de forma grafica (Fig. 3) el proceso de diseño de tal forma que es más sencillo de desarrollar y de explicar, mismo que adaptaremos en el capítulo 1 ya con nuestra metodología.

RAYMER menciona que los diseñadores inician de un nuevo concepto de avión, aunque los especialistas saben que nada puede iniciar antes de un estimado de la magnitud del proyecto, y los empresarios, civiles o militares piensan que el diseño parte de los requerimientos.

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En mi opinión personal creo que el diseño de las aeronaves requiere de los tres, debes de tener ideas, pensamientos y porque no sueños, saber cómo desarrollar esas ideas, tener estimaciones del peso, estabilidad y comodidad entre otras, tener en mente todos los requerimientos, como el perfil de misión, distancia de despegue y aterrizaje, alcance etc., para mi existen muchas formas de abordar el diseño, más adelante explicare como es que se comenzó a diseñar "El GALEÓN".

En las siguientes imágenes se muestra precisamente el proceso de diseño en forma esquemática de la Ref. [1].

Fig. 3 Representación del diagrama de flujo del proceso de diseño

DISEÑO CONCEPTUAL

La evolución de los diseños conceptuales de aviones es notable a lo largo de los 100 años de la aviación, si pudiéramos contestar a la pregunta ¿de dónde salen los diseños? la respuesta seguramente sería de la imaginación y entonces la segunda pregunta sería ¿Cuál es el imite de la imaginación? y tendríamos la respuesta de hasta dónde puede evolucionar el diseño conceptual de aviones (Ver fig. 7).

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Lástima que los diseños conceptuales no siempre funcionan esto debido a que a todos los diseños conceptuales utilizan las especificaciones de un proyecto y genera un plan básico del proyecto "layout" esto nos da como resultado un proyecto conceptual con una estructura funcional destacable esto quiere decir que los requerimientos y el diseño conceptual llegan a un equilibrio que se convierte en lo que posteriormente será un diseño preliminar, como lo vemos en los esquemas del proceso del diseño no quiere decir que al tener el diseño preliminar el concepto es algo pasado, en la actualidad los libros que tocan el tema de proceso industrial y mejoramiento de los procesos están cambiando la forma de diseñar de una ingeniería secuencial pasamos a una ingeniería simultánea.

CONCEPTOS DE INGENIERIA SECUENCIAL Y SMULTANEA

La ingeniería secuencial es aquella que entre los procesos el siguiente proceso se inicia cuando el otro ya casi finaliza, sin embargo existe un gran problema que con este tipo de proceso se presentan problemas que no se habían tomado en cuenta y el tiempo de entrega del producto es muy largo, por ejemplo si diseñamos los planos de detalle sin tomar en cuenta las complicaciones de la manufactura es obvio que al estar en la etapa de la manufactura tendremos problemas estas por ejemplo son las complicaciones del método y también el tiempo ya que los procesos tienen la forma si se termina entonces continuamos con el siguiente esto significaba que el proyecto debía ser parcialmente detenido.

Por otra parte la ingeniería simultanea (Ref. Bibliográfica 2) permite tener una interacción entre las diferentes aéreas y etapas del diseño de forma tal que generamos el trabajo en conjunto, en la actualidad la ingeniería aeronáutica se aneja de esta manera ya que hace más eficientes tanto los procesos como los diseños ya que todos los elementos forman un conjunto, la finalidad de la ingeniería simultanea es acelerar el proceso de un producto, con varias etapas ocurriendo de forma conjunta y simultánea, utilizando equipos de trabajo multidisciplinarios. Estos equipos pueden prever dificultades en cada proceso antes de seguir adelante y de esta manera se realizan correcciones simultaneas, el proceso no se para y el proceso se acelera.

En el caso específico de una aeronave, existen diferentes etapas en el proceso de diseño en el libro de proyecto aeronáutico de EDISSON DA ROSA nos menciona lo siguiente.

PROYECTO CONCEPTUAL

1.- Especificaciones.

2.- Estudio Paramétrico (banco de aeronaves similares).

3.- "Layout" del fuselaje.

4.- "Layout" del ala (Proyecto Aerodinámico).

5.- "Layout" del avión completo

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En este caso de una aeronave monoplaza podemos utilizar como ejemplo los aeronaves tipo "homebuilt" o bien las aeronaves "single seat", para el estudio paramétrico, en el diseño conceptual manejaremos de las anteriores solo el estudio del ala para determinar la geometría tentativa de la aeronave y del fuselaje completo también con base en la ergonomía y los adelantos en cuanto a los interiores dimensionaremos el fuselaje.

Un término que se ocupa mucho en el diseño es el término "ERGONOMIA". La ergonomía es una ciencia aplicada que trata del diseño de los lugares de trabajo, herramientas y tareas que coinciden con las características fisiológicas, anatómicas y psicológicas y las capacidades del trabajador. Busca la optimización de los tres elementos del sistema (hombre-máquina-ambiente), para lo cual elabora métodos de estudio del individuo, de la técnica y de la organización del trabajo.

Para el diseño conceptual se toman en cuenta el número de personas, el tipo de ala ya sea fija o rotativa, la posición del ala (alta, baja, o media) (Ver. Fig. 5), sabemos que para ésta decisión existen algunas preferencias como que si el avión es utilitario la posición del ala preferentemente seria alta y si es acrobático seguramente deberá ser ala baja, así sucesivamente con los diferentes diseños, el tipo de empenaje también es parte del diseño conceptual existen empenajes (en "V", convencional, en cruz, tipo caja, en "H" o combinados) (Fig. 5), la configuración de la aeronave como en la figura 14 etc.

Fig. 5 Configuración típica de algunos aviones. [13]

Este tipo de aviones personales se parecerán mucho a lo que hoy conocemos como por el interior del mismo en la siguiente figura se muestra el interior del ICON A5 (Fig. 6) modelo desarrollado y que ya está en uso, mencionado con anterioridad.

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Fig. 6 Interior del ICONA5. El producto del diseño preliminar de este avión

tomando en cuenta las consideraciones anteriores de ergonomía y de características de misión presentamos el dibujo conceptual que resulto después de muchos otros intentos la ventaja del diseño conceptual en este caso es que un avión biplaza personal es que no esta tan restringido en cuanto a la forma por la utilización de materiales compuestos.

Un punto diferente y muy importante de este diseño es que está proyectado para el futuro en una aviación personalizada por lo que es este caso nos basamos en una investigación muy dispersa ya que por una parte es importante una imagen agradable, pero no solo exteriormente sino también en el interior y con algunos detalles como "highway in the sky" este es un programa diseñado específicamente para poder brindar el placer de pilotear a todas las personas consiste en un programa que dibuja en la pantalla un lugar virtual por el que se puede volar si se respeta la ruta cualquier persona es capaz de aterrizar un avión y por lo tanto volarlo también.

Este diseño está basado en aviones que ya existen y que son resultado de visionarios como Burth Rutan[15] que en este caso nos ayudan a entender cómo debería ser un diseño personalizado mi pensamiento es "porque la industria automotriz tiene mayor mercado y la respuesta es porque estéticamente son mejores, los aviones no han cambiado, para muchos siguen siendo tubos voladores pero lo que no pueden evitar es la curiosidad de volar y esa es la gran fortaleza de la aviación y en el futuro todos volaremos pero seguramente querremos aviones estéticamente mejores que reflejen nuestra personalidad individual.

Fig. 7 Aproximación del Dibujo Conceptual de la aeronave.

[15]

Burt Rutan es un diseñador de aeronaves actualmente diseña y construye con su equipo la flota de VirginGalactic.

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CAPITULO 1

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1.1

EL DISEÑO CONCEPTUAL.

El Diseño Conceptual es la primera aproximación de un producto, regularmente resulta en un producto visual, esto quiere decir, un diseño en papel y en los últimos años a computadora, el objetivo de este trabajo es presentar un diseño Conceptual de una aeronave personal.

El Diseño de productos se puede dividir fácilmente en tres partes: definición del problema, generación de conceptos, y desarrollo del producto. El diseño conceptual se centra en la segunda fase teniendo como base los requerimientos del producto, en realidad el Diseño Conceptual refleja muchas veces la personalidad del diseñador en una combinación armónica entre la estética visual y la funcionalidad.

Para el diseño conceptual de la aeronave realizamos un análisis de formas y tendencias en otros aviones, se han determinado geometrías interesantes debido a que el propósito es proporcionar una aeronave visualmente atractiva.

El diseño conceptual se refiere a los parámetros esenciales que definan la forma total de la aeronave, en palabras simples, determinar la configuración, medidas y pesos que conforman el avión en cuestión.

Después de establecer la forma y los cambios más drásticos, se procede al diseño preliminar, en donde se toman decisiones de la configuración y se realizan algunos bosquejos del producto (avión).

Según Raymer[1] existen fases para el diseño de aeronaves; en este caso se diseñará en base a Raymer, Roskam, Edison Da Rosa, Ajoy Kumar Kundu y la experiencia obtenida en el transcurso de la carrera en los proyectos SAEAerodesign.

El diseño, cualquiera que este sea inicia con los requerimientos (del cliente, empresa, producción o producto). El impacto del diseño conceptual es importante ya que al cumplir los requerimientos se desarrolla TECNOLOGÍA.

18

A lo largo del trabajo analizaremos los primeros tres puntos del Diseño, esto implica: Requerimientos, Diseño Conceptual y Análisis, en el caso del último solo será la primera iteración. La primera aproximación del diseño involucra muchos aspectos pero en general aplicaremos dos técnicas conocidas para realizar el diseño, por estadística, y por técnicas de desarrollo de producto.

La cuestión en el siglo XXI es que los nuevos diseñadores deben desarrollar un mejor diseño que los ya existentes y como en cualquier concepto adelantarse a su tiempo. Para lograr lo antes mencionado es necesario trabajar con nuevas tecnologías (HITS, Materiales Compuestos, etc.) y crear diseños con un mejor desempeño. En muchos congresos actuales se ha manejado la palabra eficiencia, en varios aspectos (aerodinámica, en el consumo del combustible, estructural, etc.) en pocas palabras hacer más con menos.

1.2

CONCEPTOS PARA EL DISEÑO

La Referencia 4 maneja dos conceptos de diseño muy interesantes denominados IPPD (Integrated Product and Process Development) y MDA (Model-Driven Architecture), cada uno de ellos relacionados con el producto de una manera diferente, el IPPD es un concepto sistemático del producto de tal forma que se incremente la satisfacción del cliente, y el MDA se enfoca a separar el diseño de la arquitectura del producto, de forma que sea más fácil la alteración de cada una de las partes del concepto total de forma independiente y al mismo tiempo co-dependientes.

1.2.1 Figura de Mérito

La figura de mérito es aquel parámetro principal en el que se fundamenta el nuevo diseño puede ser el tamaño, la potencia en este caso disponible, el número de personas, etc. En este caso ocuparemos como figura de mérito la carga de paga debido a que la podemos determinar por medio del FAR 23, así que a partir de la carga de paga podemos iniciar el diseño conceptual.

Tanto Raymer como Roscam, inician su metodología de Diseño con la Carga de Paga, en el caso de Raymer la manera de iniciar el concepto para el cual, la figura de mérito es el peso, es la sumatoria de los pesos que conforman a la aeronave, Ec. 1.1

Donde W0 =Peso máximo al despegue=

Los pesos de sistemas (crew) y carga de paga (payload) están dados por los requerimientos, en este caso un intervalo de pesos, lo ideal sería obtener el menor peso posible.

La determinación del combustible y el peso en vacio se pueden obtener a partir de las relaciones y estas relaciones son obtenidas en base a un analisis estadistico que Raymer proporciona Ref. [1]. (Pág. 13).

19 1.2.2 Requerimientos del Aeronave.

Iniciaremos con la determinación de los requerimientos de la aeronave Ref. [5].Carga de Paga y Tipo de carga.

Rango y Requerimientos de Misión. Altitud y Velocidad Crucero.

Longitud Requerida para despegue y Aterrizaje. Reserva de Combustible.

Requerimientos de Ascenso. Requerimientos de Maniobra.

Tipo de certificación. (Experimental, FAR 23, FAR 25, Military, ó LSA). 1.2.3 CARGA DE PAGA.

En este caso se establecen rangos entre los cuales los requerimientos se cumplen, el valor de la carga de paga se obtiene a partir de la FAR 23 considerando un peso de 220 lb por persona correspondientes a 190 libras que indica la FAR 23 y 30 lb. de equipaje por cada uno de esta manera comenzamos el diseño conceptual desde una carga de paga de 440 lb.

Ec. 1.2 1.2.4 Peso Máximo al Despegue.

El Peso máximo al despegue es el peso que ocuparemos para la selección del perfil ya que es el peso máximo que tendrá la aeronave en toda la misión, se considera peso máximo al despegue a la sumatoria del peso del avión en vacio, la Carga de Paga, el peso de los sistemas, el peso del combustible con los tanques llenos al igual que de aceite y líquidos hidráulicos en caso de tenerlos, el total de la suma sería el peso máximo del avión y la selección del perfil se hace igualando el peso máximo del perfil con el levantamiento que debe producir el ala para poder volar con las diferentes velocidades en este caso la velocidad de perdida (stall) ya que es la condición más crítica del avión, en algunas bibliografías encontramos que el levantamiento total de la aeronave es dividido en cada una de las superficies sustentadoras, ala, empenaje horizontal y Canards en algunos casos, esto quiere decir que, cada una de estas superficies contribuyen al total del levantamiento del avión. En el caso de este trabajo se hace la consideración de que todo el levantamiento estará a cargo del ala por lo que el peso será directamente el levantamiento en crucero y para iniciar el diseño también en stall.

Es importante mencionar y lo que es obvio es que el peso máximo no podrá ser determinado hasta tener el avión en físico así que se considera un aproximado de 2 a 4 veces la carga de paga.

Ec. 1.3

20

Con el Peso Máximo estimado y basado en un estudio estadístico de Raymer a propósito del peso en aviones de materiales compuestos, estima que para los aviones tipo Home Built Composites el peso es el 85% del peso de un avión construido de metal. Ref [1] Pag. 14.

1.3

PERFIL DE MISIÓN

El perfil de misión o misión es el trayecto que el avión realizara desde el despegue hasta el aterrizaje, se consideran 6 etapas en una misión regular sin embargo estas pueden modificarse como lo es el caso de los aviones militares que aterrizan en el mismo punto en el que despegaron y tienen una etapa de combate aéreo que consiste en un consumo de combustible mayor.

En el caso de este avión se considera un perfil con dos loiters (pérdidas de tiempo) en otras palabras es un periodo en la misión en que el avión puede realizar vueltas, descensos y ascensos al igual que los denominados vuelos de baja altitud.

En la figura 1.2 se muestra el Perfil de Misión general entre cada una de las recargas de combustible.

Se debe tomar en cuenta que los vuelos a baja altitud demeritan la eficiencia aerodinámica (L/D) lo que implica un mayor consumo de combustible entre más bajo se vuela.

En nuestro perfil de misión agregamos 1 hora más de vuelo en crucero, al rango inicial de la aeronave que es de entre 500 a 700 Km. de distancia, con ello estamos proponiendo mayor cantidad de combustible al despegue y por lo tanto un espacio mayor en los tanques de combustible, esta consideración se realiza para dar oportunidad al avión de aterrizar en un aeropuerto alterno.

Por otra parte existen parámetros importantes en el diseño de un perfil de misión como la altitud de vuelo, las velocidades y, por supuesto, con respecto a la FAR 23 las distancias de

21

despegue y aterrizaje junto con sus claros de despegue que son la altitud máxima de construcciones o bien montañas a cierta distancia dependiendo del tipo de aeronave que permitan un despegue y aterrizaje libre de obstáculos.

Otro de los objetivos del avión es poder despegar y aterrizar en distancias cortas STOL (short take off and landing) por lo que estos claros estarán más justos de lo común.

Altitud=?

Vel. Crucero=75 m/s TOD=?

LD=?

Vel. de ascenso=6 m/s

NOTA: Los datos marcados con signo de interrogación se calculan posteriormente.

1.4

CONFIGURACIÓN DE LA AERONAVE.

1.4.1 Tipo de Aeronave.

La metodología que se utiliza en este trabajo es, en realidad una combinación de varias líneas de desarrollo, una de las que más predomina es la que utiliza Roskam Tomo II, la configuración de la Aeronave dice Roskam, puede dividirse en dos grupos diseño preliminar de Clase 1 y diseño preliminar de Clase 2, en el caso de la primera se refiere a él dimensionamiento del avión y la configuración del mismo por lo que esté capitulo solo aplica la metodología de primera Clase que de hecho no requiere de muchas horas hombre.

Para definir el tipo de Aeronave primero debemos saber para qué fin será diseñada y después preguntarnos qué forma nos gustaría que tuviera, para posteriormente enfocarnos al dimensionamiento de la misma de forma que el bosquejo inicial no sea afectado.

El bosquejo inicial es casi siempre un dibujo a mano alzada que nos permite dar los rasgos característicos del Avión, en otras palabras es como el retrato hablado del avión, en el representamos las formas y las proporciones que darán al avión su aspecto final. Para algunos puede ser el dibujo en la servilleta que surgió de un tiempo de meditación y nada que hacer, mientras disfrutaba de un café en la calle. Ver Fig. 7.

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La primera restricción por llamarlo de alguna manera es, el FAR 23, ya que para proceder a la certificación de la Aeronave debemos estar seguros que cumple con los requerimientos que establece el FAR sin embargo el FAR únicamente reconoce los siguientes tipos de Aeronave a saber: categoría normal, utilitaria, y acrobática.

El avión que se diseñará se consideró utilitario como equivalente a un LSA, la descripción de esta categoría es un avión que tiene una configuración de asientos no mayor a 9 pasajeros excluyendo al piloto, con un peso máximo al despegue no mayor a 12,500 lb. y con una operación acrobática limitada. Es importante dejar claro que este avión no es del todo un LSA.

Este avión es un avión biplaza, con un peso total al despegue no mayor a 12,500 lb. y no estará diseñado para maniobras del tipo acrobáticas, por tal motivo no se le podría considerar como un LSA.

1.4.2 Bosquejo Inicial.

Para idealizar un buen bosquejo inicial es necesario un debate acerca de varios modelos que tengan la misma meta, dicho de otra manera observar 10 aviones con el mismo perfil de misión que el nuestro, esto nos permitirá tener una idea de lo que podemos esperar, para nosotros es aquí donde existe la primera discrepancia con el método Roskam.

Como se ha dicho anteriormente, los diseñadores en la actualidad no solo deben esperar un avión similar o parecido a los que ya existen, el diseñador de estos tiempos debe procurar realizar una proyección hacía el futuro de su propio diseño, sobrepasando las expectativas de otros aviones, hoy en día existen muchos conceptos que nos llevan a preguntarnos, qué es lo que el mercado necesita, y qué, es lo que a la gente le llama la atención (Mercadotecnia), pero pensemos por un momento, que lo que nosotros diseñemos es un producto de la industria Aeronáutica, la cual en gran parte es la punta de lanza tecnológica desde hace tiempo, por lo que el diseño debe ser futurista, algo nunca antes visto, que destaque, no algo convencional, si no que tenga un impacto mayor para la sociedad.

Con esto en mente y obviamente sin olvidar que existen bases que nos son útiles como la de tomar en cuenta aviones similares, podemos proceder al debate de cómo es que nos gustaría un diseño, estético, funcional, robusto, agresivo, etc. En realidad la pregunta sería ¿Que quieres que refleje tu diseño? En este caso el avión debe presentar un perfil agradable pero al mismo tiempo futurista y funcional, sin dejar esta ultima destaque más que la estética misma de la Aeronave.

Por otra parte se tomaron en cuenta características ingenieriles, el levantamiento para un mejor rendimiento en cuanto al peso, pero sin exceder la concavidad del perfil para evitar el arrastre innecesario, una característica importante es siempre tener en cuenta la interface entre la parte estética y currentilinea del avión y la estructura ya que hay algunas consideraciones como el grosor de la viga principal, o bien del fuselaje y sus cuadernas, la posición de los pasajeros con respecto al C.G. y su capacidad de visibilidad, su comodidad, entre otras cosas.

23 1.4.3 Tipo de Empenaje.

Primero que nada empenaje se refiere al conjunto de superficies estabilizadoras tanto verticales como horizontales, en algunos casos Canards, así que para explicar la selección del tipo de empenaje, el lector debe mantener en mente la figura 1.4, ya que en ella se exponen los nombres de las partes que conforman el empenaje. En este caso utilizaremos el empenaje seleccionado como modelo, (empenaje en "H").

En la Referencia 1 se explica cómo es que el tipo de empenaje puede ser seleccionado, Raymer se enfoca a la eficiencia del empenaje (ηt), la eficiencia es determinada por (qt/qi) esta

relación expresa la eficiencia del empenaje según la configuración seleccionada, cada empenaje tiene su propia eficiencia, por ejemplo el empenaje tipo "T" es el más eficiente ya que sale por competo del downwash, efecto provocado por la diferencia de velocidades en el ala produciendo una deflexión en el flujo detrás del ala, afectando la eficiencia del empenaje.

Existen tres configuraciones de empenaje en general: alto, medio o bajo, cada uno de ellos tiene diferentes definiciones y formas, en la siguiente figura extraída de la Referencia 1 se muestra compendio de los tipos de empenaje.

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En la siguiente descripción se expresan las características que definen cada una de las funciones tanto del empenaje horizontal a) como del empenaje vertical b), así como de las partes que los conforman c) y d).

a)

Empenaje Horizontal:

a.

Proporciona estabilidad longitudinal a la aeronave.

b.

Es necesario para equilibrar al avión y contribuye a la fuerza de

sustentación total.

El empenaje horizontal puede tener diversas configuraciones, generalmente se

sitúa detrás del ala (cola), algunas ocasiones se encuentra delante (llamado canard) y

otras más es parte del ala (alas delta) dependiendo de lo que se necesite.

b)

Empenaje Vertical:

a.

Proporciona estabilidad a la aeronave en guiñada o bien estabilidad

lateral.

Se ubica detrás del ala; puede estar formado por un solo plano o por dos,

como lo es el caso del empenaje en "H".

c)

Timón de Profundidad ( Elevador):

a.

Superficie que está ubicada en el empenaje horizontal.

b.

Controla el movimiento de cabeceo del avión.

d)

Timón de Dirección (Rudder):

a.

Superficie móvil ubicada en el empenaje vertical.

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El diseño del empenaje es similar al diseño de un ala, ya que contiene los mismos parámetros de diseño, alargamiento AR, envergadura b, conicidad λ, superficie S, etc. podría decirse que si sabes diseñar un ala, sabes diseñar un empenaje, para el primer dimensionamiento es suficiente con utilizar el método conocido como, coeficientes de volumen de cola (Tail Volume Coefficient). Este método lo podemos encontrar en las Referencias 1 a 4, cada uno con su propio desarrollo y mención, en este caso utilizamos el método mencionado en la Ref. 1, debido a que nos da valores recomendados para el valor del coeficiente.

Las formulas que definen este método son las siguientes: Ec. 1.4 ̅ ̅

Ec. 1.5 ̅

NOTA: Raymer propone los siguientes valores ̅ ̅ , con estos valores se determinaron las superficies de cada una de nuestras superficies.

Svt=0.927090551m^2 Sht=1.886049839m^2

Debemos tomar en cuenta que para el caso del empenaje seleccionado la superficie vertical está dividida en 2 por lo que es necesario seguir un procedimiento más que aunque sencillo nos ayudara a compensar el momento necesario para controlar, o dirigir lateralmente el avión. Primero multiplicamos la superficie obtenida por 1.5 y posteriormente la dividimos sobre 2.

Ec. 1.6

El siguiente paso es modelar la vista en planta del empenaje, esta depende del diseñador y en los parámetros mencionados al inicio de esté subtema, con estos parámetros es posible realizar el primer dimensionamiento.

Es importante mencionar que al igual que en las alas el flechado negativo o positivo afecta al desplome del empenaje, por otro lado el flechado nos induce un torcimiento aerodinámico muy interesante, sin embargo para nosotros, solo será suficiente con entenderlo ya que nos ayudara a alertar al piloto de que la maniobra es demasiado fuerte y con el desplome provocado intencionalmente, el avión vuelve a la estabilidad debido a que el empenaje pierde su capacidad de levantamiento y el avión regresa a la estabilidad, después de hacer vibrar el control en la cabina.

El flechado positivo contribuye a demorar la perdida, al igual que el torcimiento negativo, esto quiere decir que la punta de ala debe tener un ángulo negativo, sin embargo pasa lo contrario con un flechado negativo como lo es en el caso de nuestro diseño, sin embargo, tiene algunas

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ventajas y debido a que la velocidad crucero no es tan crítica como para que nos afecte de una manera considerable. nos concentraremos en las ventajas, la primera es que el piloto es advertido con anticipación de la pérdida de control del elevador, por que empieza a entrar en perdida gradualmente, por otra parte el flechado negativo, promueve una posibilidad de perdida más grande, pero esto no es tan critico debido a la velocidad del aeronave.

Para aviones más rápidos es necesario considerar esta diferencia, por otro lado y la principal razón por la que se eligió esta configuración es para igualar las distancias necesarias tanto del centro de presiones del empenaje vertical como horizontal del centro de presiones del ala al centro de presiones de cada uno de los anteriores, (en algunos casos el centro de gravedad del avión coincide con el centro de presiones, es por esta razón que algunas bibliografías lo consideran como punto de partida el centro de gravedad del avión, sin embargo lo correcto es que la distancia se considere desde el centro aerodinámico del ala), se recomienda que el alargamiento del empenaje horizontal siempre debe ser menor que el del ala, esto para ayudar a que el ala desplome primero que el empenaje de forma que el piloto mantenga el control del avión aun cuando el ala este en desplome.

Una vez aclarado el punto técnico del flechado negativo, otra de las razones es debido a la estética del avión, como se menciono con anterioridad el diseñador siempre tiene la opción de considerar otras formas, sin embargo recordemos que este es un diseño conceptual y el diseño a detalle podría distar mucho o poco del diseño conceptual propuesto al final de este trabajo.

Las distancias mencionadas con anterioridad se definen en la figura 1.5, para la distancia xh

se considera, 2.5 el valor de la CAM del ala.

Para terminar se muestra en la figura 1.6 las dimensiones, y algunas de las características del empenaje, se muestra la vista en planta tanto del empenaje horizontal como el vertical.

Para calcular las cuerdas medias aerodinámicas tanto de alas como de empenajes se ocupan las formulas mostradas en el desarrollo del ala, debido a que el ala y los empenajes son tan similares. En la sección 1.5 de este capítulo explicaremos con formulas cada uno de los parámetros necesarios, mismos que podrán re calcular y comprobar posteriormente.

28 1.4.4 Diseño Conceptual del Fuselaje.

El fuselaje no es un espacio en donde solo se encuentran los pasajeros, se encuentran varios espacios designados, el motor, el equipaje, los sistemas y en algunos casos los contenedores de liquido hidráulico, etc. para el diseño del fuselaje primero se deben considerar los volúmenes de cada uno de los componentes que irán dentro del fuselaje, por otra parte, el espacio designado para los sistemas de control y los pasajeros se llama "cabina" a pesar de que para aviones pequeños no es muy visible esta diferencia, existe y es importante, debido a que la cabina, debe ser el "huevo" por decirlo de alguna manera, el espacio más seguro de todos los componentes del avión, el habitáculo o cabina es el lugar más reforzado que se diseña.

Se preguntaran por que el diseño del fuselaje se presenta con la vista lateral y no con la vista superior, para contestar esa pregunta, imaginaremos una feria en la que se venden aviones como el que estamos diseñando, caminan entre los pasillos y observan cuidadosamente, sin embargo nunca los vemos desde su vista superior, casi todos los aviones son observados de manera frontal, la decisión de un comprador, no se basa inicialmente en el rendimiento, lo primero que atrae la atención del cliente es el fuselaje y la sinergia entre las formas del avión, es por esta razón que el pensamiento del diseñador "Ingeniero Aeronáutico" debe ocupar un criterio un tanto más de diseño Industrial para el diseño del fuselaje que es la imagen lateral o "carta de Presentación", es la característica que el comprador más observa en tierra.

Podemos concluir que el fuselaje se muestra de manera lateral porque es la figura que más verá el dueño, como se dicen por ahí "de la vista nace el amor". Por otra parte debe existir una balanza entre las características técnicas del avión, la ergonomía y el estilo.

En la figura 1.7 se muestra la silueta del fuselaje esta silueta nos ayuda a entender la disposición y los espacios que hay dentro del fuselaje así como sus medidas más simples, como lo son la altura, la longitud y lo ancho, pero recordemos que este proceso debe ser una mezcla entre los requerimientos del aeronave, la comodidad del pasajero, y las limitaciones, como lo hemos mencionado, por esto último nos referimos a los ángulos que se deben respetar, entre el centro de gravedad y la llanta del tren principal, así como al cono de cola y las distancias que deben existir del centro de presiones del ala al centro de presiones del empenaje.

Por otra parte es importante mencionar que el fuselaje se eligió de esa manera para que, a la hora de la rotación en el despegue el fuselaje genere un levantamiento extra, el fuselaje tiene la forma de un perfil de alto levantamiento, la forma es utilizado en muchos diseños contemporáneos, en Europa ha sido una tendencia muy marcada en las ultimas 2 décadas. En la Figura 1.8 se muestra el dimensionado del fuselaje y la cabina con detalle.

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Para determinar la posición de las personas nos ayudamos de CATIA, ya que dentro de sus algoritmos no permite posiciones en las que las personas estén incomodas, por lo que nos evitamos el estudio ergonómico, sin embargo aseguramos que la posición es ergonómica.

La ergonomía proviene de las raíces griegas érgon (trabajo) y nómos (Ley), dicho de otra manera es la ciencia del trabajo, Inicialmente la ergonomía se dedicaba a el diseño de lugares de trabajo, un ejemplo clásico de esta disciplina es la de una secretaría y la forma correcta en la disposición de sus elementos de trabajo. Actualmente tiene muchos muchas variantes, una de las cuales tiene que ver con la comodidad en el transporte, en este caso personal (carros, motos, aviones, etc.).

En realidad nosotros utilizamos la ergonomía para generar una posición cómoda y que no lesione al usuario, esto se logra respetando algunos ángulos y distancias en las extremidades de la persona, dicho de otras maneras no ocasionar un deterioro en la atención del usuario por la incomodidad.

Otra parte fundamental del avión es el motor, el fuselaje debe estar preparado para albergarlo y a los sistemas que este requiere, para ello lo más fácil es encuadrar el motor en un cubo y situarlo en el fuselaje, posteriormente en el diseño conceptual final se deben mostrar los ajustes en el fuselaje como por ejemplo las entradas de aire para enfriar el motor, a continuación se muestra una figura del motor que pudiera ser utilizado en el avión.

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El equipaje requiere un peso total de 80 lbs. máximo, el volumen designado para esto no es precisamente un problema ya que se ocupara todo el espacio a lo ancho de la cabina detrás de la cabeza de los pasajeros. Tomando en cuenta todo lo anterior y algunos otros parámetros que para ahorro de espacio no se mencionan pero que pueden consultar en las Ref. [1], [2], [5].

En la figura 1.9 se muestra una visualización de la ergonomía en las aeronaves, existe una relación estrecha para nosotros entre esta ergonomía y la utilizada para los autos deportivos.

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1.5 Ala.

1.5.1 Superficie Alar.

El peso máximo al despegue nos ayuda para definir el coeficiente de levantamiento requerido (CL), la FAR 23 indica una velocidad mínima de perdida (stall), en nuestro caso

manejaremos una velocidad de perdida Vs=22 m/s está velocidad equivale a 42.76827372 nKnots

(millas náuticas) estos dos parámetros nos sirven para determinar la superficie alar de la aeronave, para ello ocupamos las formulas siguientes y las desarrollaremos de forma que podamos obtener los diferentes parámetros de diseño para el ala.

Esta es la parte medular del diseño de una aeronave ya que nos indica la primera aproximación a el diseño y las dimensiones del avión, las formulas que vemos a continuación son las formulas más reconocidas e importantes para un Ingeniero Aeronáutico.

Ec. 1.7

Ec. 1.8

Ec. 1.9

Estas tres ecuaciones muestran la clara y estrecha relación que existe entre superficie, densidad, velocidad y levantamiento. En el diseño y como primera aproximación podemos ocupar la densidad (ρ) a nivel medio del mar y es posible si no se cuenta con un perfil proponer un coeficiente de levantamiento y posteriormente se puede ajustar o bien encontrar un perfil que cumpla con el valor propuesto, se utilizo un programa en Excel para realizar ajustes y cambios en los parámetros de estas tres ecuaciones (Tabla 1.1 Proceso de validación y encuadre de la superficie alar) en conjunto con el programa CATIA V5, se deben estudiar diferentes configuraciones del tipo de ala (FIGURA 14 Marco Teórico) y medidas tanto de cuerda y envergadura, como de área, esto para satisfacer el requerimiento de que el avión debe entrar en una cochera para competir con aviones como el Terrafugia desarrollado por el MIT, al final de este proceso obtenemos la vista en planta con medidas propuesta FIGURA 1.11 Ala Concepto con Medidas.

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Para calcular la superficie alar primero se toma en cuenta la velocidad crucero, después despejamos el peso que es equivalente en vuelo crucero al valor del levantamiento, una vez hecho esto se considera este mismo valor pero con la velocidad de perdida y no la de crucero ya que existe una diferencia considerable entre tomar una u otra velocidad, con esto podemos calcular el coeficiente de levantamiento, todo esto despejando de la ecuación 1.7 quedando como resultado la ecuación 1.8, con esta ecuación se calcula la superficie recordemos que es importante comparar los valores con los valores en el concentrado de aviones que ya tenemos, también observar que los valores no sean ilógicos.

Para calcular el coeficiente de levantamiento requerido ocupamos la Ec. 1.9 para obtener este valor es necesario calcularlo con la velocidad de crucero, el valor obtenido debe ser el que tenga el perfil a cero grados para el ángulo de ataque, de aquí partimos para obtener el coeficiente de levantamiento máximo requerido, este último se obtiene con la superficie antes calculada y con la velocidad de perdida, esto nos indica que el avión se encuentra en su condición mas critica y por lo tanto con el coeficiente de levantamiento máximo.

TABLA 1.1 PROCESO DE VALIDACIÓN Y ENCUADRE DE LA SUPERFICIE ALAR.

CL 0.3 1.95

S 101.5063575 ft^2 9.430249195 m^2

Vs 42.76827372 nknots 22 m/s

Vc 145.8009331 nknots 75 m/s

Dens.a NMM 2.38E-03 slug/ft2 1.225 kgs2/m4

W 1440 lbf 6413.42927 N b 26.2464 ft 8 m AR 6.6666 6.666666667 cam 3.93696 ft 1.2 m Re 1070097.229 1807713.807 1ft2= 0.092903 m2 101.5064012

Viscosidad 3.74E-07 1.79E-05

Vis. Cinematica 0.000157347 1.46041E-05

L 66.1441681 5.45E+03

33 1.5.2 Vista en Planta del Ala.

Hasta este momento hemos decidido si el ala será cantiliber o bien con montantes, en nuestro caso será del tipo cantiliber, como ala alta tiene algunas ventajas. El ala alta es el ala más utilizada en aviones de carga, esto debido a que el ala alta genera más estabilidad, podemos imaginar una barra que genera el llamado cuneo, para un ala baja el cuneo es más prolongado sin embargo para un ala alta este cuneo suele ser muy suave y controlado, sin embargo una de las desventajas es el efecto suelo que no se aprovecha del todo en el ala alta a diferencia del ala baja, la Ref. [2] se muestra una tabla que evalúa algunos de los aspectos más determinantes en la decisión de la posición del ala.

Es importante definir la vista en planta ya que esta define el desempeño de la aeronave, los parámetros que definen el ala son el ángulo de flechado, que puede ser como sigue:

1.- Flechado Cero (sin flechado como en un ala rectangular)

2.- Flechado Positivo [también conocido como flechado hacia atrás (aft. sweep)].

3.- Flechado Negativo (o bien flechado hacia el frente, caso del empenaje horizontal <30°). 4.- Flechado Variable (Por ejemplo el F-14 Tomcat).

5.- Flechado Oblicuo (flechado que varía dependiendo la estación del ala).

En nuestro caso podemos considerar un solo flechado que es positivo en el ala, el flechado es negativo en el empenaje horizontal.

Como se mencionaba en la selección de empenajes existen otros parámetros como el alargamiento, la conicidad del ala, el ángulo diedro y la cuerda media aerodinámica. Para encontrar cada uno de estos valores ocuparemos las siguientes formulas respectivamente, el ángulo diedro se propone de 5 grados pero puede cambiar con el estudio de estabilidad y control estático lateral

Ec. 1.10

Ec. 1.11

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Una vez obtenidos estos valores (flechado=8.343 grados), podemos determinar la forma del ala, la ultima parte del diseño que se verá más adelante es la forma de empotre del ala, con la información de la superficie y los demás parámetros obtenidos podemos presentar la siguiente conclusión. NOTA: Los demás valores se muestran en la Tabla 1.1.

s=9.43025 m2 CAM=1.2 m

AR= 6.666 Λ3/4=8.343 °

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La selección de un ala se hace con respecto a el perfil de misión del avión sin embargo en la actualidad se busca que las aeronaves sean multi-funcionales lo que significa que deben cumplir con los requerimientos de diferentes misiones, los materiales inteligentes son un claro ejemplo del intento por lograr este rendimiento, el avión que diseñamos conceptualmente debe cumplir únicamente con dos misiones que aunque solo son dos son polos completamente opuestos por lo que es complicado alcanzar una combinación de este tipo el primero es que el avión realice despegues y aterrizajes cortos y por otro lado que tenga un alto alcance,

El STOL (short take off and landing) requiere de un alto coeficiente de levantamiento sin embargo un alto coeficiente de levantamiento implicaría también y obligadamente un coeficiente de arrastre, para un despegue y aterrizaje corto está bien, pero para el segundo parámetro de misión que es un largo alcance implica un consumo de combustible bajo para obtener más distancia esto implica que buscamos características de eficiencia (L/D) siendo D=Arrastre (Drag) entonces la relación de levantamiento contra arrastre nos define la eficiencia aerodinámica de la aeronave entonces la decisión es que preferimos un alto levantamiento que no tiene eficiencia o alta eficiencia sacrificando el levantamiento.

Afortunadamente la respuesta está en las superficies hiper-sustentadoras (flaps, slats o bien tecnologías alternativas) en este caso ocuparemos flaps ranurados, y de ser necesario al final se determinara si el avión necesita slats o no, para el caso de este avión el tema se tratará en el segundo capítulo.

1.6

DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA.

Por otra parte actualmente se diseña el perfil con puntos de vista diferentes a los que se diseñaba incluso hace 10 años, regularmente nos basamos en perfiles ya analizados con anterioridad con el compendio NACA, o BOEING sin embargo se cuenta con herramientas computacionales, mejor conocidas como CFD (computational fluid dynamics), la dinámica de fluidos computacionales nos ayuda a desarrollar un perfil que cumpla con tres características fundamentales, alto coeficiente de levantamiento, con un coeficiente de arrastre lo más bajo posible y por supuesto que arroje una eficiencia alta, el coeficiente de momentos se busca únicamente que sea estable le en el desplome y en el cabeceo sin importar que tan alto a bajo sea este coeficiente lo podremos compensar con un buen diseño del empenaje horizontal del aeronave.

Ahora conocemos a partir de la tabla 1.1 el coeficiente de levantamiento requerido por la aeronave recordemos que como margen de seguridad estamos despreciando la pérdida de peso por trabajar con materiales compuestos y el coeficiente de levantamiento por lo tanto esta excedido, con este dato podemos comenzar a investigar en primera instancia perfiles que cumplan con las características descritas con anterioridad y posteriormente realizar lo que se conoce como mutaciones en los perfiles para obtener un perfil mejorado y así poder realizar un modelo que posteriormente será utilizado para pruebas en túnel de viento, para obtener sus características

36

totales como ala y no solo como un análisis en 2D si no con las características en 3D correspondientes, alargamiento, flechado y conicidad.

Con la ayuda de la computadora el tiempo de diseño se reduce esto debido a que podemos realizar cambios de manera más versátil en vez de tener que dibujar todo de nuevo, existes diferentes programas para el dibujo en 3D o mejor conocido como CAD (computational-aide design), el software que nosotros ocuparemos es CATIA V5R21, con este programa modelaremos el ala de tal manera que nos demos una idea más real y poder modificar el diseño siempre que así lo requiramos como por ejemple el perfil que seleccionamos.

37

CAPITULO 2

38

2.1

ANALISIS AERODINÁMICO.

La aerodinámica es la rama de la mecánica de los fluidos especializada en el cálculo de de las acciones del viento sobre cuerpos sólidos de muy diversa naturaleza.

El Análisis Aerodinámico como su nombre lo indica es el análisis de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un cuerpo solido sumergido en el fluido gaseoso (aire).

OBJETIVO DEL ANÁLISIS AERODINÁMICO.

El objetivo de este es conocer la fuerza que actúa en nuestro modelo conceptual del aeronave, para determinar estas fuerzas que son diferentes para cada aeronave, dependiendo sus formas, las cuales estudiaremos más adelante. Debemos realizar un estudio de cada uno de los elementos que conforman el avión (ala, fuselaje, empenajes, tren de aterrizaje, etc.).

Al final del análisis de cada una de estas fuerzas se busca obtener varias graficas que muestran la acción del viento sobre el avión, siendo la ultima grafica la polar del avión, (la polar es una grafica que expresa la relación entre el CL y el CD totales del avión). Estas graficas nos ayudaran

a determinar si el avión puede volar y a estimar cual será el comportamiento del aeronave lo que posteriormente lleva a un estudio de, estabilidad estática y dinámica de vuelo.

2.2

FUNDAMENTOS DE AERODINÁMICA

El uso de la aerodinámica es múltiple, ya que se utiliza en cualquier cuerpo que tiene contacto con el viento, desde cosas que parecieran insignificantes como una bicicleta hasta cosas altamente complejas como un avión, en automóviles de carreras y rascacielos.

En este trabajo nos enfocamos al estudio aerodinámico de un avión, estos cuentan con un elemento aerodinámico, mejor conocido como ala, que es fundamental en cualquier aeronave, ya que de esta depende el levantamiento y por lo tanto, que el avión vuele.

39

Los inicios de la aerodinámica se dieron con los hermanos Wright, ellos ocuparon un método muy interesante podría decirse que el primer túnel de viento, Ref. [9]. Su avión obtuvo un resultado exitoso, tanto que según la historia fueron los primeros en lograr un vuelo, no fue cosa de suerte si no de un arduo trabajo experimental y un análisis aerodinámico, podemos concluir que una buena aerodinámica nos dará como resultado un avión que sea capaz de volar. Otro punto importante en el análisis aerodinámico es la Aerodinámica Experimental, esta va de la mano siempre con un análisis aerodinámico como una comprobación del analítico.

NOTA PARA EL LECTOR: Es muy importante siempre tener en mente que la aerodinámica es una ciencia del todo exacta, nos basamos en graficas, y muchas consideraciones, iniciando con que el viento es constante, eso, desde luego no es cierto el viento no siempre es constante, es por esta razón que siempre debemos apoyarnos en un estudio experimental que nos permita controlar la dirección del viento y otros parámetros aunque la velocidad del viento no sea constante, puede hasta cierto punto ser controlada.

2.2.1 Perfiles Aerodinámicos.

Antes que nada debemos aprender la morfología de cualquier perfil en la Figura 2.2 se muestra el esquema de un perfil para reconocer las partes que lo conforman, recordemos que un perfil aerodinámico es en otras palabras la sección paralela al plano xz del avión en el ala (wing section).