Facultad de Ingeniería
Trabajo de Investigación
“Diseño del tren de aterrizaje para un
avión no tripulado con motor eléctrico”
Autores: Castro Castro Jason Gregorio Manuel-1413174
Tello Sandoval Joel Brayam-1412626
Para obtener el grado de Bachiller en:
Ingeniería Aeronáutica
ii
DEDICATORIA
A nuestros padres por el soporte y guía durante el proceso de formación
iii
AGRADECIMIENTO
iv
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se diseña un tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico, se dividió en cuatro capítulos: antecedentes de la investigación, basado en tesis y artículos científicos de autores internacionales, el marco teórico, el método de solución; en la que se utilizan las ecuaciones y fórmulas obtenidas de textos especializados, además, se hace uso de los softwares ANSYS , CATIA y Autodesk inventor para el diseño y corroboración de resultados obtenidos, por último, el análisis de los resultados y discusión, en este capítulo se presentan los resultados obtenidos previamente: cargas estáticas y dinámicas, dimensionamiento, ubicación de los trenes de aterrizaje y otros . Con los valores obtenidos se ha diseñado un tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico, de tipo triciclo y con un mecanismo retráctil. Posterior a ello se realizó la simulación mediante software y se procedió a elaborar los planos a detalle del sistema completo.
v
ÍNDICE
DEDICATORIA ... ii
AGRADECIMIENTO ... iii
INTRODUCCIÓN ... xi
CAPÍTULO 1: ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 1
CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO... 6
2.1 Reseña histórica ... 6
2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje ... 7
2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje ... 7
2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje ... 8
2.3.1.1 Tren Fijo ... 8
2.3.1.2 Tren Retráctil ... 8
2.3.2 Según el tipo de tren ... 9
2.3.2.1 Tren Biciclo ... 9
2.3.2.2 Tren Triciclo ...10
2.3.2.3 Tren Multiciclo ...10
2.3.2.4 Tren Convencional...11
2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje ...11
2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L) ...12
2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1) ...13
2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F) ...13
2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) ...13
vi
2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje ...14
2.4.6.1 Cargas verticales ...15
2.4.6.2 Cargas laterales ...16
2.4.6.3 Cargas longitudinales drag ...16
2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje ...16
2.5 Materiales empleados v en los trenes de aterrizaje ...19
2.5.1 Materiales compuestos ...19
2.5.1.1 Fibra de vidrio ...19
2.5.1.2 Fibra de carbono ...20
2.5.2 Materiales metálicos ...21
2.5.2.1 Aluminio ...21
2.5.2.2 Titanio...22
2.5.2.3 Aceros ...22
2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje ...22
2.6. Softwares de diseño y análisis ...27
2.6.1 Autodesk inventor ...27
2.6.2 CATIA ...28
2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje ...29
2.6.3.1 ANSYS ...29
2.7 Diseño ...30
2.7.1 Diseño conceptual ...30
2.7.2 Diseño preliminar ...31
vii
CAPITULO 3: MÉTODO DE SOLUCIÓN ...32
3.1 Diseño del tren de aterrizaje ...32
3.1.1 Diseño Conceptual ...32
3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje ...33
3.1.1.2 Especificaciones ...34
3.1.1.3 Configuración ...34
3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje ...35
3.1.2 Diseño Preliminar ...37
3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje ...37
3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz ...37
3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal ...41
3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base) ...41
3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) ...41
3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje ...42
3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje ...43
3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales ...44
3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales ...45
3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje...45
3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje ...46
3.1.2.5 Diseño estructural 3D ...50
3.1.2.6 Selección de material ...57
3.1.2.7 Simulación ...57
viii
CAPITULO 4:ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...60
4.1 Ubicación del tren de aterrizaje ...60
4.2 Cargas en el tren de aterrizaje ...60
4.3 Softwares para el diseño y simulación del tren de aterrizaje ...61
CONCLUSIONES ...62
RECOMENDACIONES ...64
BIBLIOGRAFIA ...65
ix
NOMENCLATURA
Aceleración de la gravedad- 𝑔 (m/s2)
Centro de gravedad - 𝑐. 𝑔.
Computational fluid dinamics- CFD
Computer aided tridimensional interactive application -CATIA Cuerda media aerodinámica -𝐶𝐴𝑀
Carga dinámica máxima en tren de nariz-𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 (N) Carga estática máxima tren nariz- 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁
Carga estática máxima tren principal -𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 Diseño asistido por ordenador- 𝐶𝐴𝐷
Dinámica de fluidos computacional -CFD Diámetro externo- 𝑑𝑒 (m)
x
Factor de carga tren nariz- F.C.TN
Factor de seguridad de la columna del tren de aterrizaje de nariz-F.S.C- TN Federal aviation administration- FAA
Federal aviation regulation -FAR Product lifecycle management- PLM
Longitud desde aterrizaje principalal tren de nariz -𝐹 (m)
Longitud vertical desde la pista hasta el centro de gravedad-𝐽 (m)
Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje de nariz- 𝐿 (m) Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el del tren de aterrizaje principal -𝑀1 (m) Módulo de elasticidad-𝐸 (Pa)
Maximum takeoff weight- MTOW (N)
Media distancia entre los trenes principales − YOT (m)
Peso máximo de despegue -WT (N)
xi
INTRODUCCIÓN
El inminente crecimiento de los vehículos aéreos no tripulados en la industria aeronáutica ha generado el desarrollo de estos vehículos cada vez más sofisticados, implementados con tecnología de vanguardia, con fines civiles y militares, sea para el uso como: vigilancia, rescate, topografía, fotogrametría, agricultura de precisión o fines bélicos. Cabe precisar que el proceso evolutivo de estas aeronaves es incesante hasta la actualidad.
Asimismo, el desarrollo de trenes de aterrizaje o sistema de trenes de aterrizaje no ha sido ajeno a este crecimiento, desde el primer vuelo implementado con este sistema en el año 1906. Por otro lado, el diseño de este elemento se desarrolla en tres fases: diseño conceptual, diseño preliminar y diseño detallado.
xii
A continuación, se detalla el objetivo general y los respectivos objetivos específicos. Objetivo general:
• Diseñar el tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico.
Objetivos específicos:
• Determinar la ubicación y dimensionamiento del tren de aterrizaje de un avión no tripulado con motor eléctrico.
• Calcular la magnitud de las cargas que actúan en el tren de aterrizaje de un avión no tripulado con motor eléctrico.
• Elaborar los planos de ensamble del tren de aterrizaje de un avión no tripulado con motor eléctrico.
• Simular con un software especializado el funcionamiento del tren de aterrizaje de un avión no tripulado con motor eléctrico
1
CAPÍTULO 1
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
2
exceda de un cierto valor crítico, ello servirá para mantener la integridad estructural dentro de márgenes de seguridad [2] y [4]. La magnitud de las fuerzas de reacción depende de las condiciones en el que la pista de aterrizaje se encuentre como: asfalto dañado, húmedo, inundado o con lodo, también del tipo de superficie del que esté compuesta (césped, hielo o tierra).
Por otro lado, el diseño de un tren de aterrizaje se ha convertido en uno de los aspectos más trascendentales concerniente a la fabricación de una aeronave, ya que está relacionado con diversos criterios significativos tales como: estructura, peso, superficie de operación, aspectos financieros y otros [5]. Cabe recalcar que, al momento de realizar el diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas: verticales, longitudinales y laterales [6]. Asimismo, el diseño y desarrollo de este sistema involucra diversas áreas de la ingeniería tales como: ingeniería de materiales, diseño mecánico, cálculo estructural, estabilidad, control y otras.
La complejidad del tren de aterrizaje está sujeto al tipo de aeronave al cual será implementado, de acuerdo con las capacidades y funciones por realizar [5]. También, a la configuración y articulación que este tenga al ser instalado en la aeronave. Dicho de otro modo, el sistema será complejo, si las capacidades operativas del avión demandan de un alto esfuerzo estructural, lo cual conlleva que el sistema de trenes tenga mayor cantidad de componentes en su configuración. Asimismo, depende de la disposición que se implemente el sistema de trenes de aterrizaje en la aeronave, puede ser tren triciclo, convencional, tren retráctil, tren fijo u otra configuración. Es preciso señalar que la posibilidad de fallas de un sistema se incrementa de acuerdo a la cantidad de componentes que posea.
3
incrementa. Sin embargo, tiene ciertas ventajas que la mayoría de los vehículos aéreos no posee, siendo la más importante; el menor peso, en consecuencia, el tren de aterrizaje estará sometido a pequeñas cargas. Por esta razón, es posible implementar un sistema simple, con menos elementos y sin repercutir de forma negativa en su desempeño.
Para el diseño de un sistema de trenes de aterrizaje, se definen los parámetros iniciales y de acuerdo con ello se realiza y toma decisiones. Por otro lado, el tren de aterrizaje es el último sistema de gran importancia en el avión en ser diseñado ya que se debe ajustar a los demás componentes principales previamente diseñados y ensamblados tales como: alas, fuselaje, empenaje y motores [1]. Esta forma de diseño no varía para el caso de los UAV, ya que sigue el mismo proceso que una aeronave convencional. Este proceso consta de tres fases: diseño conceptual, diseño preliminar y diseño detallado, los cuales se definen a continuación:
• Diseño conceptual, tiene como objetivo la selección de un concepto viable y debe ser optimizado lo más posible. Para este caso se debe escoger un tren de aterrizaje adecuado, considerando los parámetros que debe cumplir: adaptabilidad, bajo peso, absorción de energía, baja resistencia aerodinámica, estabilidad, distancia al suelo, etc. También, seleccionar la configuración del tren de aterrizaje, ya que existen diversos tipos: tren biciclo, triciclo, multiciclo, patín de cola (convencional), tándem, y otros; donde cada una de estas cumpla con las características mencionadas anteriormente [3].
4
demandaría una modificación general del diseño y resultaría en vano lo realizado en la fase conceptual.
Durante esta fase se hace uso de softwares de modelado y simulación, los cuales contribuyen y facilitan la toma de decisiones en cuanto a las características del sistema diseñado (tren de aterrizaje) como: material, peso y dimensiones que se utilizará en la composición estructural del sistema de trenes de aterrizaje. Uno de los softwares más utilizados para el proceso de modelado y simulación es ANSYS, un software especializado de la industria aeroespacial y automotriz de uso sencillo e intuitivo; se hace uso de esta herramienta tecnológica una vez definidas las dimensiones y forma del tren de aterrizaje y posteriormente se hace la simulación, con la finalidad de conocer las cualidades estructurales del sistema en mención, esta simulación se puede realizar haciendo uso del mismo software, ya que cuenta con la herramienta de simulación o en todo caso se puede utilizar otros programas informáticos con características similares tales como: SolidWorks, AutoCAD, Solid Edge, Unigraphis, Autodesk inventor, Abaqus, Patran Nastran ,CATIA y otros [8] y [9].
Asimismo, otro software avanzado para el cálculo y análisis de diseño y manufactura de elementos mecánicos es Unigraphics NX3, este permite al usuario el diseño de geometrías complejas como perfiles aerodinámicos. También cuenta con una gran variedad de herramientas especiales para el modelado más rápido de diseños superficiales y sólidos. Se destaca porque cuenta con dibujo de planos de construcción, descriptivos, simulación de manufactura, análisis de movimiento y estructural entre otros [6]. Este software es muy importante para los estudiantes de ingeniería que pretendan ingresar al mundo del diseño y manufactura.
5
Habitualmente en esta fase de diseño se construye un prototipo para realizar los ensayos necesarios y corroborar todos los cálculos realizados [7].
Al finalizar estas tres fases de diseño e inicie el proceso de fabricación del prototipo del tren de aterrizaje puede existir ciertos problemas, ya que el tren de aterrizaje en diseño computarizado difiere en ciertos aspectos al realizar la manufactura, dicho de otra manera, lo diseñado haciendo uso de un software no es lo mismo al momento de la manufactura. Estos problemas pueden solucionarse siempre y cuando no cambie significativamente el diseño, una vez solucionadas las observaciones, se obtiene el prototipo final.
6
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Reseña histórica
Los trenes de aterrizaje aparecieron poco después del primer vuelo realizado por los hermanos Wrigth en 1903, siendo la aeronave “No 14-bis” de Santos-Dumont la primera que contaba con el sistema de tren de aterrizaje el cual utilizaba ruedas tipo bicicleta encargadas de la absorción de las fuerzas de impacto y realizaba las respectivas operaciones en tierra (1906); los modelos siguientes fueron muy parecidos a la aeronave mencionada [11].
7
Asimismo, tras el desarrollo de motores que generen mayor potencia utilizando hélices cortas, se volvió a hacer uso del tren triciclo, siendo esta la más utilizada hasta la actualidad.
2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje
El sistema de tren de aterrizaje es la estructura que tiene por finalidad soportar, absorber y disipar las cargas totales generadas por una aeronave en operaciones en tierra, tiene como funciones principales:
▪ Mantener la aeronave estable en el suelo durante la carga, descarga y rodaje.
▪ Permitir maniobrar libremente a la aeronave.
▪ Absorber el choque durante la operación de aterrizaje.
▪ Facilitar el despegue del avión, permitiendo la aceleración y la rotación con la menor fricción.
En términos de diseño, el sistema de trenes de aterrizaje es el último componente fundamental en ser diseñado. Vale decir, que los componentes tales como: ala, fuselaje, empenaje y el sistema de propulsión deben ser diseñados con cierta anterioridad, teniendo en cuenta datos de todos estos componentes como: peso, material, dimensiones, etc. Se puede iniciar con el proceso de diseño [12]. Posteriormente, para ubicar la posición del tren de aterrizaje, es relevante tener como datos: el centro de presiones, centro de gravedad, las variaciones del centro de gravedad (en caso de las aeronaves que utilizan combustible como energía para la propulsión), los cuales son fundamentales para hallar dicha posición.
2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje
8
2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje
Según el mecanismo, el sistema de trenes de aterrizaje se divide en dos grandes grupos: trenes de aterrizaje fijos y retráctiles.
2.3.1.1 Tren Fijo
Sistema de trenes fijos, generalmente son utilizados en aeronaves pequeñas por las dimensiones reducidas que estas poseen, son unidos al fuselaje o las alas. Por otro lado, este tipo de tren implica un considerable incremento de resistencia parásita, ya que la estructura del tren está expuesta y en contacto con el flujo de aire. Para contrarrestar o reducir el arrastre producido, se implementan carenados o Wheel pants, revestimiento en los cuales se albergan o cubre al tren de aterrizaje, estas superficies poseen cierta forma aerodinámica en consecuencia disminuye la resistencia parásita [9] y [5] .
Figura 1: Trenes fijos de UAV. [3]
2.3.1.2 Tren Retráctil
9 Figura 2: Tren retráctil de UAV. [3]
2.3.2 Según el tipo de tren
La clasificación por este parámetro es amplia, dentro de los más importantes se mencionan los siguientes:
2.3.2.1 Tren Biciclo
Tren de aterrizaje biciclo, posee dos trenes principales ubicados en el eje longitudinal de la aeronave, uno tras el otro, delante del centro de gravedad (c.g.) y detrás de este. Asimismo, tiene dos trenes auxiliares en las alas para estabilizar el avión. En cuanto a la distancia entre trenes con respecto al c.g. difieren mínimamente, en consecuencia, los trenes soportan cargas similares [1] y [3] .
10
2.3.2.2 Tren Triciclo
La configuración triciclo es una de las más utilizadas, consta de dos trenes principales situado detrás del c.g. y un tren auxiliar o tren de nariz en la parte delantera el cual tiene como función direccionar la aeronave en maniobras pre-vuelo y post-vuelo o en pista propiamente dicho. En relación con la carga el tren principal soporta el 80-90 % y el tren de nariz 10-20 %. Cabe recalcar que la altura de ambos trenes es la misma, sin embargo, los neumáticos de los trenes principales son de mayor diámetro, a medida que el número de ruedas se incrementa, el área frontal de la rueda disminuye, por lo tanto, mejora el rendimiento de la aeronave en operaciones de despegue [1].
Figura 4: Tren triciclo [14].
2.3.2.3 Tren Multiciclo
Tren multiciclo, tiene como característica poseer múltiples neumáticos en los trenes, con la finalidad de mejorar la seguridad en el despegue e incrementar la estabilidad en tierra.
11
2.3.2.4 Tren Convencional
Configuración convencional o patín de cola (tailwheel) fue una de las más usadas en los primeros años de la industria aeronáutica, consta de dos trenes principales ubicados delante del centro de gravedad (c.g.) y un tren pequeño en la parte posterior de la aeronave, esta última tiene por objeto dar direccionamiento a la aeronave en tierra. Por otro lado, la carga se reparte en un porcentaje de 80-90 % para los trenes principales y 10-20 % al tren de cola [1] y [9] .
Figura 6: Tren de aterrizaje convencional (patín de cola) [14].
2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje
En el tema de cálculos relacionado a las dimensiones y distancias de ubicación de los trenes de aterrizaje, se desarrolla los siguientes ítems (2.4.1), (2.4.2), (2.4.3), (2.4.4) y (2.4.5), considerados como los más importantes para el caso de los aviones no tripulados (VANT o UAV), para los puntos mencionados se hace uso de las ecuaciones mostradas a continuación [1] y [11]:
Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)
Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =
0.85∗ 𝑊𝑇
2 (4)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)
12
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁+
(3.048𝑚
𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇
(9.81 𝑚
𝑆2)∗𝐹
(6)
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹 (7)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
𝟐∗𝐹 (8)
𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
𝟐∗𝐹 (9)
𝐹 = 𝑀1
1−0.8∗𝑊𝑇 ∗2
𝑊𝑇 ∗2 =𝑀1
0.2 (10)
𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)
𝐹. 𝐶𝑇𝑁 = 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 (12)
Siendo:
• 𝑊𝑇 : masa total de despegue.
• CEMTP: carga estática máxima en el tren principal.
• CEMTN: carga estática máxima en el tren de nariz.
• CDMTP: carga dinámica máxima en el tren principal.
• CDmTP: carga dinámica mínima en el tren principal.
• F: longitud horizontal del tren de nariz hasta el tren principal.
• M1: distancia del centro de gravedad al tren de aterrizaje principal.
• J: longitud vertical (altura) desde el suelo al centro de gravedad de la aeronave
• F.CTN: factor de carga del tren de aterrizaje
2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L)
13
ubicado lo más alejado posible del centro de gravedad (c.g.) para minimizar la carga a la que va a estar expuesta y maximizar la estabilidad [1] .
2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1)
Para la distancia horizontal desde el centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje principal (M1), la posición del tren debe estar ubicado entre un 50 % (0.5) y 55% (0.55) de la cuerda aerodinámica media (CAM), en caso de los UAV el centro de gravedad oscila entre el 7 a 27 % de la CAM, es decir antes del 50 %, por ende, para el cálculo se considera el 55 % (0.55) de la CAM de esta manera la posición del tren principal está alejado del c.g. y por ende soporta mayor carga [1].
2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F)
Para el cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el tren de nariz, se usa las ecuaciones (4) y (7), este parámetro es fundamental en la estabilidad de la aeronave y debe haber una proporción adecuada en la distancia que haya entre ambos trenes de aterrizaje [1].
2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)
La distancia horizontal Wheel track, es un parámetro que brinda estabilidad en las tareas de operación en tierra, ya que la distancia debe ser la suficiente para que no cause la volcadura de la aeronave. Como primer término, se determina la fuerza centrípeta Fc, que actúa en la aeronave durante los giros en tierra, para ello se debe conocer la masa de la aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro (R) [14].
𝐹𝐶 = 𝑚 𝑉2
𝑅 (13)
14
𝑌𝑜𝑡 =
𝑭𝒄∗𝑱
𝒎.𝒈
(14)
Figura 7: Giros en tierra y que factores contribuyen: vista de planta (a) y vista alzada (b) [14].
2.4.5 Altura del tren de aterrizaje (J)
La altura del tren está definida entre la distancia del suelo con la parte más baja del fuselaje o hélice, teniendo en cuenta el factor de seguridad [14]. Está altura también es diferente debido a la configuración del tren de tren de aterrizaje y la misión de la aeronave.
𝐽 =
𝑴𝟏𝑻𝒈 (𝜽°) (15)
2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje
15
amortiguación y finalmente determinar las cargas que la estructura del tren debe soportar: cargas verticales, laterales y longitudinales [2].
2.4.6.1 Cargas verticales
Las cargas verticales están supeditados a la razón de descenso o velocidad vertical, además de la rugosidad de las superficies durante operaciones en tierra (taxeo, carrera). El proceso de cálculo se determina con las ecuaciones siguientes [2]:
𝑉𝑑 = 4.4 (
𝑾𝑺
)
𝟏/𝟒(16)
𝐸𝑇 = 𝒏𝑺∗ 𝑷𝒎∗ 𝑵𝒈(𝜼𝒕∗ 𝑺𝒕∗ 𝒏𝒔∗ 𝑺𝒔) (17)
𝐶𝑉𝑇𝑃= 𝒏𝑺∗ 𝑷𝒎∗ 𝑵𝒈 (18)
Donde:
• Vd, velocidad de descenso
•
W, peso total de la aeronave
(UAV)• S, superficie alar
• ET, energía cinética máxima absorbida por el tren principal
• nS , numero de struts del tren principal
• Pm, carga estática máxima del tren principal por strut
• Ng, factor de carga del tren de aterrizaje
• η t, coeficiente de absorción de energía de la llanta
• St, deflexión máxima permisible de la rueda
•
s,coeficiente de absorción del amortiguador
• Ss, carrera del amortiguador
16
2.4.6.2 Cargas laterales
Este tipo de cargas son causados durante un aterrizaje defectuoso, viento cruzado en taxeo y giros en pista. La ecuación para el cálculo es [2]:
𝐶. 𝐿 =𝑊
2 ∗ 1.33 (19)
Donde:
• C.L, carga lateral
• W, peso total de la aeronave (UAV)
2.4.6.3 Cargas longitudinales drag
Las cargas longitudinales son causadas principalmente por cargas de spin-up, cargas de frenado y fricción. Este tipo de cargas, se calculan con las ecuaciones que se muestran a continuación [2].
𝐹𝐶𝐿 = 𝑽𝒅𝟐
𝟔𝟒.𝟒∗(𝑺𝜼𝒕) (20)
𝐶. 𝐿 = (𝐹𝑃𝐿 − 0.667) ∗ 𝑊 (21)
𝐶𝐿𝐷 = 0.25 ∗ 𝑃𝐿 (22) Donde:
• FCL, factor de carga limite
• CL, Carga limite
• CLD, carga longitudinal drag
• Snt, producto, del coeficiente absorción de energía de la llanta y la deflexión permisible de la rueda más el coeficiente de absorción del amortiguador en carrera
2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje
17
nacela (compartimiento del motor), ala-fuselaje. Al tener el tren retraído en una posición inadecuada, podría repercutir de manera negativa a la performance de la aeronave y por ende el diseño en sí, también podría incrementar el peso considerablemente, reducir el almacenamiento del tanque de combustible (sea del fuselaje o de las alas) y crear resistencia aerodinámica adicional [13].
Las posiciones de compartimientos más comunes tanto para aviones militares como civiles son las siguientes:
• En el ala
Si el espesor del ala es suficiente para que ambas ruedas puedan entrar retraídas ahí, esto debe ser previsto en la primera fase del diseño, ya que si el espesor del ala no es lo suficientemente ancha este puede crear un orificio en el fuselaje al momento de que se ponga en funcionamiento la retracción del tren de aterrizaje [15].
• En el fuselaje
Este es el más común para un tren de aterrizaje de grandes dimensiones ya que el fuselaje proporciona el espacio suficiente. En caso el fuselaje no sea del tamaño requerido para los trenes, se mantiene una parte de los trenes de aterrizaje fuera, envuelta por un carenado como una protuberancia, tal es el caso de los antonov an-225. Para los aviones de combate con alas muy delgadas el tren de aterrizaje se retrae todo dentro del fuselaje [15].
• En o bajo el ala y nacela
En aeronaves de ala alta, motores de turbopropulsión que cuentan con un gran espacio en la nacela de los motores, por lo cual pueden retraer dentro de las cavidades provistas para los trenes, ejemplos de este tipo de superficie para retracción lo tienen las aeronaves Fokker 27, Antonov An-32 [15].
18
En la siguiente figura se muestran las posiciones de retracción del tren principal.
Figura 8: Tipos de compartimientos de tren de aterrizaje [13]
En la siguiente figura se muestra el tipo de cinemática de recorrido que pueden tener los trenes principales para retraerse. [11]
19
2.5 Materiales empleados en los trenes de aterrizaje
El uso de materiales en el sistema trenes de aterrizaje, son diversos y están supeditados al tipo de aeronave a la que son implementados (avión comercial, aviones de carga, militares, aviones no tripulados), el tipo de pista, el ambiente de uso, entre otros factores. Por otro lado, el uso de materiales metálicos y compuestos lidera en la manufactura del sistema de trenes de aterrizaje en la industria aeronáutica.
2.5.1 Materiales compuestos
Los materiales compuestos son un sistema estructural resultado de la composición de dos a más materiales que se genera a partir de la unión química a escala macroscópica, cuyo comportamiento mecánico y propiedades son mejores en comparación a los que tienen individualmente. La característica principal de los materiales compuestos son el bajo peso y alta resistencia, esto es un factor importante y es un aporte significativo para la distribución de cargas en el fuselaje, ya que haciendo uso de estos materiales se puede direccionar la distribución de cargas [16] y [17].
Es importante precisar, que los materiales compuestos tienen como base dos elementos: fibra y matriz, la combinación adecuada de estos componentes, da origen a materiales con mejores propiedades. Además, de la fibra y la matriz existen aditivos que dotan de propiedades especiales para fortalecer estos materiales. Por otro lado, en lo que concierne a los materiales compuestos la fibra es el componente que aporta resistencia mecánica, rigidez, dureza y resulta determinante para obtener las propiedades mecánicas más importantes. Se mencionan tipos de fibra: vidrio, carbono, aramida, cerámicas, etc. A continuación, se presentan los más importantes [18].
2.5.1.1 Fibra de vidrio
20
corrosión, a altas y bajas temperaturas de calor y frio respectivamente, buena relación resistencia/ peso, buena estabilidad y propiedades aislantes eléctricas. Existen dos clases importantes de fibra de vidrio: eléctricos (E) y de alta resistencia (S); las fibras de vidrio E, son las más usadas en la fabricación de fibras continuas. Asimismo, el vidrio E no modificado tiene una resistencia de tracción de 3.44 GPa y un módulo de elasticidad de 72.3 GPa.
Por su parte, la fibra S tiene una relación de resistencia-peso más alta y por ende su producción es más costosa. Esta fibra tiene una amplia aplicación en el ámbito militar, aeronáutico y aeroespacial. Teniendo una resistencia la tracción superior a los 4.48 GPa y un módulo de elasticidad de 85.4 GPa. [17]
Por otro lado, las propiedades; resistencia y modulo elástico de la fibra de vidrio están determinados en principio por la estructura tridimensional de los óxidos que la constituyen. Es preciso señalar que el factor importante que determina la resistencia a la rotura del vidrio es el deterioro que experimentan las fibras cuando hay fricción entre sí [17].
2.5.1.2 Fibra de carbono
La fibra de carbono es una de las más populares en la industria automotriz y aeronáutica. Este elemento compuesto ofrece mayor adaptabilidad a geometrías complejas y es compatible con gran parte de resinas, además, es un material que ofrece un gran aumento de resistencia añadiendo un mínimo peso [3].
21
sometidas a cargas de fatiga, debido a que sus propiedades mecánicas son apenas sensibles a la aplicación de cargas cíclicas [18].
2.5.2 Materiales metálicos
El metal es el material más usado en los trenes de aterrizaje, debido a su gran resistencia, peso y costo accesible. Los metales más usados para la construcción del sistema de tren de aterrizaje son el aluminio, aleaciones de acero y duraluminio [11].
2.5.2.1 Aluminio
El aluminio más usado para la fabricación de trenes de aterrizaje es el 7075-T73 debido a que es considerado inmune a la corrosión y posee gran resistencia a la tensión. Otro aluminio usado es el 7075-T6, este tiene una resistencia entre un 12-15% mayor a la tensión [11].
En la tabla Nº1, se muestra las propiedades importantes del aluminio 7175-T736, material caracterizado por su alta resistencia a la corrosión y tensión, adecuado para el uso en el sistema de trenes que está sometido a condiciones severas de tensión y ambientes corrosivos.
Tabla 1: Propiedades de aluminio 7175-T736 [11].
Aluminio 7175-T736
Propiedades Unidades
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Fuerza de fractura 31 MPa-m½
2.5.2.2 Titanio
La aleación de titanio más usada en los trenes de aterrizaje es el Ti-61-6V-2Sn que puede ser usada donde existan tubos o agujeros para que soporte tipos de fuerza de rigidez o pandeo, es decir, cuando cualquiera de estas dos fuerzas sea muy grande. A este material se le puede agregar un grosor de revestimiento, sin que aumente el peso y este no requiere de protección para que no se deteriore [11].
Tabla 2: Tabla de propiedades mecánicas del aluminio Ti-61-6V-2Sn [11].
Titanio: Ti-61-6V-2Sn
Propiedades Unidades
Módulo de elasticidad 110.3 GPa Coeficiente de Poisson 0.32 Elongación de ruptura 14% Resistencia última a la tracción 1050 MPa Resistencia de fatiga 140 MPa Fuerza de fractura 60 MPa-m½
2.5.2.3 Aceros
Los aceros más usados para los trenes de aterrizaje son los 4130, 4340, 4330V y 300M. Este último tipo de acero es comúnmente usado para la construcción de las abrazaderas, los pistones que se encuentran dentro del eje del tren de fuselaje, debido a su alta resistencia a la fatiga, excelente ductilidad [11].
2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje
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energía potencial. Los resortes se diseñan con el objeto de dar empuje, fuerza de giro (torque) y principalmente almacenar energía. Se pueden realizar con alambre redondo o rectangular doblándolos adecuadamente como una bobina o con material plano cargado como una viga. En referencia a la clasificación de resortes, existen diversas formas, como: resorte helicoidal de compresión, helicoidal de tensión, helicoidal de torsión y otros. En resortes planos es algo endémico que sean vigas en voladizo o apoyadas. Asimismo, hay resortes de arandela con estilos variados (curvos, Belleville, de dedo, ondulados). A continuación, se hace un breve análisis de las configuraciones y diseño de los principales tipos de resorte [19].
• Resorte helicoidal de compresión. Esta configuración proporciona fuerza de empuje y poseen una gran capacidad de deflexión. La forma estándar cuenta con una espiral de diámetro constante, paso o distancia axial entre las espiras constante, y constante de resorte fija. Por otro lado, es la configuración de resorte más común y disponible comercialmente, gran parte de estos se fabrican con alambre redondo y alambre rectangular. Las espiras con razones de resorte pequeñas se cierran primero, incrementado así la constante de resorte efectiva cuando tienen contacto entre sí.
• Resortes cónicos. Son elaborados con una constante de resorte fija o creciente, generalmente su constante de resorte no es lineal, lo cual se incrementa con la deflexión, se debe a que las espiras con menor diámetro brindan mayor resistencia a la deflexión y las espiras más grandes de flexionan primero. Al variar el paso de la espira, se puede obtener una constante de resorte aproximadamente constante. Es relevante mencionar que, la principal ventaja es cerrarse a una altura muy pequeña como el diámetro de alambre, siempre en cuando espirales se comprimen. Las formas de barril y de reloj de arena se emplean para cambiar la frecuencia natural del resorte de forma estándar.
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gancho es el elemento quien soporta mayor esfuerzo en comparación con las espiras, en consecuencia, falla primero. En caso de un objeto suspendido del gancho, caerá cuando el resorte se rompa.
• Resorte de arandelas. Resortes que ofrecen fuerza de empuje y comúnmente empleados para cargar algo axialmente. Suelen tener deflexiones mínimas, con excepción de la arandela Belleville, sólo pueden suministrar cargas ligeras.
• Resortes de viga. Las vigas en voladizo o soportadas son las más comunes. Los resortes de viga pueden tener ancho constante o forma trapezoidal. La constante de resorte y la distribución de esfuerzos suelen ser controlados con cambios en el ancho de la viga o en la profundidad a lo largo de su longitud. En cuanto a cargas pueden ser altas, pero las deflexiones son finitas [19].
Por otro lado, en resortes de compresión, se suelen utilizar cuatro tipos de extremos: plano, plano/esmerilado, a escuadra/cerrado, y a escuadra/esmerilado. Un resorte con extremos planos cuenta con un helicoide continuo, es decir extremos iguales, como si a un resorte largo se hubiera hecho cortes en secciones, por su parte, los resortes con extremos planos a escuadra o cerrado se consigue a partir de una deformación a cero grados del ángulo de la hélice. Para aplicaciones, relevantes, los resortes a escuadra y esmerilados son los más adecuados, debido a que se obtiene mayor trasferencia de carga [20].
En las figuras siguientes, se muestran los tipos de extremos y tipos de resortes explicados.
26
En cuanto a los materiales y aleaciones usados en la elaboración de resortes existen en gran variedad, sin embargo, hay un número limitado de materiales adecuados para su fabricación. Los materiales deben poseer ciertas propiedades, entre ellos: alta resistencia última, alto punto de fluencia y bajo módulo de elasticidad, para un almacenamiento máximo de energía. Por otro lado, entre los materiales más usados para fabricar resortes figuran: aceros al carbono, aceros de aleación y aceros resistentes a la corrosión, además, bronce fosforado, latón, cobre al berilio y aleaciones de níquel [19] y [20].
Gran parte de los resortes que son sometidos a trabajo liviano son fabricados con alambre redondo o rectangular formado en frio. Por su parte, los resortes sometidos a cargas pesadas se fabrican fijándolos o rolándolos en caliente. En general, los materiales usados para elaborar resortes son endurecidos con el objeto de obtener la resistencia requerida [19].
A continuación, se presentan materiales al alto carbono y de aleación [20], asimismo se muestra una tabla con información para el desarrollo de cálculo de dimensiones de resortes de compresión.
• Alambre de piano 0.80-0.95C. Se conoce por especificaciones similares como: UNS G10850, AISI 1085 y ASTM A228-51, es el material más empleado para fabricar resortes pequeños, el más tenaz y posee mayor resistencia a la tensión y soporta mayores esfuerzos antes cargas cíclicas o repetidas. Disponible en diámetros de 0.12 a 3 mm.
• Alambre templado en aceite 0.60-0.70C. Denominado también como: UNS G10650, AISI 1065 y ASTM 229-41, acero de uso general y empleado en diversos tipos de resortes de espiras. No es adecuado para el uso ante cargas de impacto. Se puede disponer en diámetros de 3 a 12 mm.
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y alta durabilidad. Además, sirven para cargas de impacto. Disponible en 0.8 a 12 mm de diámetro en recocido o prerrevenido.
• Cromo silicio. UNS G92540, AISI 9254, es un material idóneo para uso en resortes sometidos a cargas de impacto que demanden de larga vida y esfuerzos elevados, son disponibles en diámetros de 0.8 a 12 mm.
Tabla 3: Fórmulas de dimensionamiento de resortes [20].
Tipo de extremos de resortes
Término Plano
Plano y
esmerilado
A escuadra y
cerrado
A escuadra
y esmerilado
Espiras de extremo, Ne 0 1 2 2
Espiras totales, Nt Na Na + 1 Na + 2 Na + 3
longitud libre, Lo pNa + d p (Na + 1) pNa + 3d pNa + 2d
Longitud sólida, Ls d (Nt + 1) dNt d (Na + 1) dNt
Paso, p Lo - d/ Na Lo/ Na + 1 Lo - 3d /Na Lo -2d /Na
Espiras activas, Na
2.6. Softwares de diseño y análisis
En relación con el uso de softwares para diseño y posterior análisis estructural y simulación, la elección debe ser determinado tomando en cuenta que el software elegido debe satisfacer las necesidades que demanda la realización del diseño y de esta manera coadyuvar la obtención de los objetivos propuestos.
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Autodesk Inventor, desarrollado por la empresa Autodesk tiene su primera versión en el año de 1999, teniendo como competencia a SolidWorks, CATIA y Solid Edge. Este programa es uno de los más usados para diseño, ya que este software CAD (Diseño asistido por computadora) permite tener gran precisión. Posterior a ello se pueden elaborar los planos detallados, ya sea de un solo componente o de todo el mecanismo. La ventaja de usar este software es que tiene una gran variedad de herramientas para el diseño. Además, este software destaca porque tiene una interfaz intuitiva, cosa que otros softwares de diseño no tienen y resultan ser complejos para el aprendizaje, otra de las razones por las cuales destaca este software es que muchos diseñadores publican sus trabajos en Internet, de este modo los estudiantes o aficionados pueden aprovechar para adaptar diseños ya existentes a uno que se adecue a sus necesidades. Asimismo, en este programa se puede hacer la simulación de cargas estáticas existentes en cierta parte del sistema que se está realizando con este software [8].
2.6.2 CATIA
CATIA, software desarrollado por Dassault Systemes, compañía fundado en 1981 año en el cual realizan la primera versión de CATIA V1 con la finalidad de crear productos tridimensionales, por ingenieros de Dassault Aviation para la industria aeronáutica. Tras el lanzamiento público de esta herramienta en 1984, logró su rápido posicionamiento como líder en diseño aeroespacial, en mismo año la transnacional Boeing Company inicia el uso de este software.
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Por otro lado, CATIA es una herramienta informática cuyas siglas representan Computer Aided Three Dimensional Interactive Application que en términos de la lengua española se interpreta como la aplicación tridimensional interactiva asistida por computadora, inicialmente el propósito fue constituirse como el software de diseño en la industria aeronáutica. Sin embargo, ante la eficiencia su uso se expandió al sector aeroespacial, automotriz, naval, defensa y otros [9].
2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje
Para la simulación del sistema del tren de aterrizaje se hará uso del software ANSYS,Inc el cual permite desarrollar simulaciones de CDF (Dinámica de fluidos Computacional) gracias a esta herramienta informática se puede efectuar las pruebas de aerodinámica y esfuerzos para tener una referencia con gran semejanza a como se comportaría el tren de aterrizaje cuando esté construido e interactúe con la aeronave y cumpla sus misiones respectivas .
2.6.3.1 ANSYS
La empresa ANSYS (Swanson analysis system), Inc. Se fundó en el año de 1970, teniendo su primera versión a finales de ese mismo año, esta empresa comercializa y presta soporte al software de simulación para predecir la reacción y función un elemento o producto en el entorno real. Cabe recalcar que una de las etapas en el cual podría haber más fallos es en el mallado, ya que de acuerdo al método puede fallar en un punto, lo cual afecta la convergencia del sistema.
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después (1998), se presenta ANSYS/Ed, a la comunidad educativa, además, en el 2005 se da un gran avance en la búsqueda de un programa de análisis multifásica dado por la adquisición de Century Dynamics y en el año 2006, adquiere FLUENT [9].
2.7 Diseño
El diseño de una aeronave y sus diversos sistemas, es un proceso iterativo que implica análisis, síntesis y evaluación. Asimismo, es una disciplina que se fundamenta en una serie de áreas cardinales de la ingeniería, tales como: aerodinámica, estructuras, propulsión, estabilidad y control [13].
Para el diseño del tren de aterrizaje del trabajo de investigación es necesario precisar las etapas empleadas en el diseño.
2.7.1 Diseño conceptual
31
En síntesis, en esta etapa se establece un diseño general, sin entrar a detalle de las piezas que lo compongan ni materiales. El objeto de esta etapa es definir cómo será, como funcionará, que sea viable la manufactura y tenga buen funcionamiento.
2.7.2 Diseño preliminar
En esta segunda etapa de diseño se empieza con los cálculos del dimensionamiento y ubicación del tren de aterrizaje. Seguidamente se procede con los cálculos de carga respectivos para obtener las fuerzas, tanto dinámicas como estáticas a las que el tren estará sometido. Luego se hace la selección de materiales del tren. Por otro lado, el diseño preliminar es la etapa en la cual se realizan todos los cálculos y análisis necesarios para que el sistema de trenes de aterrizaje funcione de manera óptima. Se realizan los cálculos de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, cálculo sobre las cargas que debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se hace un detalle de todas las piezas necesarias para que se pueda realizar la manufactura del diseño. Asimismo, se realiza el diseño de piezas en 3D haciendo uso de softwares computacionales, se define el aspecto físico, se asigna los materiales y posteriormente se realiza la simulación. Los softwares preferentemente utilizados son: Autodesk inventor, SolidWorks, CATIA V5 y ANSYS, herramientas informáticas que se considera adecuados para realizar el diseño y simulación [13].
2.7.3 Diseño detallado
32
se determina la respectiva estimación de tiempo de construcción del sistema de trenes y se hace la estimación del costo total [11].
CAPITULO 3
MÉTODO DE SOLUCIÓN
3.1 Diseño del tren de aterrizaje
33
De acuerdo a lo expuesto en el capítulo anterior, el diseño conceptual permitirá obtener los parámetros básicos, definir dimensiones, configuración y otros aspectos necesarios e importantes para el diseño, los cuales son objeto del trabajo de investigación.
A continuación, se detallan los puntos a desarrollar en esta etapa de diseño.
3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje
El sistema de trenes de aterrizaje para una aeronave no tripulada, al igual que otros sistemas que forman parte de ella, está supeditada a cumplir ciertos requerimientos de diseño los cuales permiten garantizar la operación adecuada e idónea de la aeronave. Por otro lado, la determinación de requerimientos está sujeta a las características técnicas con la que cuenta el vehículo aéreo no tripulado (UAV), es decir, que depende de las especificaciones que posea; tales como: peso total, envergadura, longitud, peso máximo de despegue (máximum take-off weight), carga útil, ubicación del centro de gravedad (c.g.), entre otros. Para el caso en específico de esta investigación, la aeronave cuenta con las características técnicas detallada en la tabla siguiente:
Tabla 4: Características técnicas de UAV Tupac P1- UTP.
Envergadura 1.70 m
Longitud 0.85 m
Superficie alar 0.286 m2
Peso total 12.8413 N
Peso máximo de despegue 25.506 N Velocidad máxima 27.78 m/s
Motor GPMG-4560 (1250 Kv)
Batería 5200 mAh
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Autonomía 0.30 h
Por otro lado, los requerimientos para los trenes aterrizaje de aeronaves no tripuladas difieren en ciertos aspectos en comparación con trenes para aeronaves convencionales de uso civil o militar, debido a la condición que esta ostenta (no tripulado).
De lo detallado anteriormente los requerimientos para el diseño del tren aterrizaje de un UAV son: adaptabilidad, rigidez, estabilidad, mantenibilidad, bajo peso (liviano) y bajo costo.
3.1.1.2 Especificaciones
En referencia a las especificaciones del sistema de trenes, se detalla a continuación: por la configuración del sistema, el UAV es de tipo triciclo y cuenta con cuatro neumáticos distribuidas en la estructura del avión no tripulado; dos neumáticos en los trenes principales (uno en cada lado) y los dos restantes en el tren de nariz o de morro, todos ellos albergados dentro del fuselaje; la altura del tren; debe ser adecuada con la finalidad de no alterar la estabilidad de la aeronave, asimismo, se tendrá en cuenta el sistema de amortiguación mediante resortes.
3.1.1.3 Configuración
El proceso de diseño de un sistema de tren de aterrizaje se inicia con la selección de la configuración. Ante la existencia de diferentes tipos de configuración (biciclo, triciclo, multiciclo, convencional, tándem u otros) cada uno con sus respectivas características, se optó por la configuración de tren triciclo, dado que esta configuración presenta mayor estabilidad y maniobrabilidad durante las operaciones en tierra y es más segura al momento del despegue y aterrizaje.
35
En las figuras siguientes se muestran los diversos tipos de configuración.
Figura 12: Configuración de trenes de aterrizaje [13].
Figura 13: Configuración triciclo UAV Tupac P1-UTP.
3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje
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Los trenes fijos, son utilizados en aeronaves pequeñas de poco peso y una autonomía baja. Con respecto al mantenimiento, son económicos ya que son simples, es decir que no poseen gran cantidad de piezas, sin embargo, genera elevada resistencia aerodinámica (oposición al avance). Algunos cuentan con sistemas de suspensión o amortiguación poco sofisticados ya que este mecanismo no está expuesto a cargas de gran magnitud [13]. Los trenes retráctiles, son los más empleados en las aeronaves comerciales ya que este sistema reduce considerablemente la resistencia aerodinámica generada por los trenes extendidos. Sin embargo, es un sistema muy pesado, su mantenimiento es costoso, ya que utilizan sistemas de amortiguación sofisticados y gran cantidad de piezas para hacer frente a las cargas que se generan al momento de que la aeronave realiza operaciones en tierra y no dañe la estructura del fuselaje [13] y [3].
De lo expuesto anteriormente respecto al tren de aterrizaje fijo, si bien es cierto este tipo de mecanismo es adecuado para aeronaves pequeñas y ello incluye en gran parte a los UAV, para el caso de esta investigación se opta por el segundo; tren de aterrizaje retráctil, debido a que la finalidad es encontrar la máxima eficiencia aerodinámica de la aeronave, es decir mayor sustentación posible a una menor resistencia, para lograr ese objetivo se hace un diseño adecuado y eficiente, ello es más factible de lograr con el mecanismo de tipo retráctil. Por otro lado, en cuanto al mantenimiento y costo difiere en gran medida a los trenes de aterrizaje de los aviones convencionales (uso civil y militar), pero en la composición suelen ser similares. Dicho de otra manera, ambos poseen un mecanismo de retracción, sistema de amortiguación, dirección, disposición de ruedas entre otros.
A continuación, se muestra una tabla de comparación entre ambos mecanismos, considerando las principales características.
Tabla 5: Comparación de tipos de tren.
Características / Tipo de tren Fijo
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Maniobrabilidad Media
Mantenimiento Bajo costo
Diseño Fácil
Peso Bajo
3.1.2 Diseño Preliminar
De acuerdo a lo detallado en el capítulo 2, en esta etapa de diseño se realizan los cálculos, análisis y evaluaciones necesarios para el funcionamiento idóneo del tren de aterrizaje. Entre ellos: cálculos de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, las cargas que debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se realiza diseño y simulación con software (CATIA V5, ANSYS).
3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje
Es el proceso de cálculo para la obtención de datos tales como: la distancia, el tamaño y la ubicación del sistema de trenes de aterrizaje en la estructura de la aeronave (avión no tripulado), haciendo uso de las ecuaciones establecidas e inferidas los cuales son desarrollados a continuación:
3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz
38
Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)
Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)
Para el caso los trenes de aterrizaje de nariz, la ubicación debe ser lo más alejado del centro de gravedad con la finalidad de reducir la carga y maximizar la estabilidad. Las cargas estáticas máxima y mínima recomendadas varían en intervalos de 0.08 y 0.2. Durante el cálculo de cargas, el valor tomado es el 0.15 del peso máximo de despegue (WT),cumpliendo la condición que el diseño satisfaga una situación crítica. A continuación,
se muestra las ecuaciones de la carga estática máxima del tren de aterrizaje de nariz (CEMTN) ecuación (3) y carga estática máxima del tren de aterrizaje principal (CEMTP)
ecuación (4), donde 2 representa la cantidad de neumáticos en el tren [11] y [1].
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁= 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)
𝐶𝐸𝑀
𝑇𝑃=
0.8∗ 𝑊𝑇2
(4)
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)
𝐹 (5)
𝐶𝐷𝑀
𝑇𝑁= 𝐶𝐸𝑀
𝑇𝑁+
(3.048𝑚
𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇
(9.81 𝑚
𝑆2)∗𝐹
(6)
𝐶𝐷𝑀
𝑇𝑃=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹
(7)
𝐶𝐷𝑚
𝑇𝑁=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑁)𝐹
(8)
𝐶𝐷𝑚
𝑇𝑃=
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)𝟐∗𝐹
(9)
De las ecuaciones mostradas, la ecuación (5), representa carga estática máxima del tren principal, la ecuación (3) es otra manera de hallar la 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 a razón de las distancias de la
39
(8) indica carga dinámica mínima del tren de nariz, y finalmente la ecuación (9) dinámica mínima del tren principal.
Las ecuaciones mostradas son necesarias para obtener la posición del tren delantero o nariz. Cabe mencionar que el valor 3.048𝒎
𝒔𝟐 , es la desaceleración tomando en cuenta un
coeficiente de fricción =0.3, 9.81 𝑚
𝑆2 representa la aceleración de la gravedad [1].
Figura 14: Dimencionamiento del tren de aterrizaje respecto al centro de gravedad.
Por otro lado, la posición del tren principal debe estar ubicado en un intervalo de 0.5 y 0.55 de la cuerda aerodinámica media (CAM), de este modo el tren principal está más alejado del centro de gravedad en consecuencia soporta mayor carga. De lo mostrado en la figura 9, L representa la longitud horizontal entre el centro de gravedad y el tren de aterrizaje de nariz o delantero, M1, es la longitud horizontal del centro de gravedad al tren principal, F, representa la distancia que entre el tren de aterrizaje principal y el tren auxiliar o delantero y finalmente J, es la longitud vertical del centro de gravedad al sistema de trenes en superficie.
40
De las ecuaciones (4) y (7), se obtiene la ecuación para hallar la longitud entre el tren de aterrizaje principal y el tren de nariz (F).
𝐶𝐸𝑀
𝑇𝑃=
0.85∗ 𝑊𝑇2 = 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =
𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)
2∗𝐹
𝐹 =
𝑀11−0.85∗𝑊𝑇 ∗2
𝑊𝑇 ∗2
=
𝑀10.15
(10)
Figura 15: Dimensiones del centro de gravedad respecto a la CAM.
De la figura 10 se obtiene el valor de M1, el cual es igual a M1=0.0567 m, considerando 0.55 de la cuerda aerodinámica media (CAM) como posición del tren principal, por lo tanto, con la ecuación (9), F es igual a F=0.378 m.
Conociendo estos datos se plantea la ecuación (11) parta obtener la longitud horizontal del centro de gravedad al tren de nariz, L.
𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)
41 Figura 16: Cálculo mediante el método gráfico. [11]
3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal
El cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el centro de gravedad M1, se realiza con la figura 10 y el valor obtenido es M1= 0.0569. Este valor es importante para la obtención de la distancia entre los trenes de aterrizaje principal y de nariz (F).
3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base)
Esta distancia que representa la longitud horizontal del tren principal al tren de nariz F, se obtiene con los datos anteriores haciendo uso de la figura 4, el cual da como resultado una distancia de F=0.378 m.
3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)
El Wheel track o distancia entre trenes principales es un parámetro que dará estabilidad al momento de hacer las tareas en tierra, ya que este debe tener la suficiente distancia para que no ocurra volcadura de la aeronave. Primero se determina la fuerza centrífuga 𝐹𝑐 que
actúa en la aeronave al momento de girar en tierra, para esto se debe conocer la masa de la aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro [14]. m=1.310 kg, v=2 m/s y R=0.9 m.
𝐹𝑐 = 𝑚 𝑉2
𝑅 (13)
𝐹𝑐 = (1.3010)
22
42
Con la fuerza centrífuga, se puede hallar la distancia de la mitad del track, es decir, la distancia desde un tren principal hasta la línea horizontal del centro de gravedad. Para obtenerlo, se necesita la altura del centro de gravedad con respecto al suelo (𝐻𝑐𝑔) o (J) y
la masa (𝑚).
𝑌𝑜𝑡 =
𝐹𝑐∗ 𝐻𝑐𝑔
𝑚𝑔 (14)
𝑌𝑜𝑡 =
𝟓.𝟖𝟐𝟐∗𝟎.𝟏𝟗𝟖𝟒
𝟏.𝟑𝟏𝟎∗𝟗.𝟖𝟏 = 0.089 𝑚, por lo tanto, Wheel track es 0.178 m.
3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje
La altura del tren de aterrizaje es una característica importante del sistema de trenes de aterrizaje, debido a que una altura inadecuada la aeronave incrementará la posición del centro de gravedad, en consecuencia, la aeronave será inestable al momento de hacer virajes en tierra.
El método para hallar la altura de un tren de aterrizaje consiste en disponer de la distancia M1, que es la longitud que hay entre el tren principal con el centro de gravedad y el ángulo que esta forma con el tren Θ°, dicho ángulo oscila en un intervalo de 8°-16° [3]. Para el cálculo de la altura se asume Θ=16°, debido a que, si el ángulo fuese mayor habría una tendencia a cabecear o ir hacia adelante lo cual haría que la aeronave (UAV) sea inestable. Definiendo el ángulo y conociendo la distancia M1, se determina J con la cotangente del ángulo formado por el centro de gravedad y la posición del tren principal.
𝐽 =
𝑀143
De la ecuacion (15) J= 0.1984 m, este resultado se adecua alas caracteristicas con la que cuenta el UAV y se deduce por lo expuesto anteriormente que la aeronave es estable en maniobras en tierra (carreteo, despegue y aterrizaje).
3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje
Las Cargas dinámicas y estáticas, tanto verticales, laterales y longitudinales, se obtienen con las distancias horizontales que describen la posición del tren de aterrizaje con respecto al suelo y otros valores. En condiciones críticas, es decir, soportando una carga de 0.15 del valor del peso máximo al despegue 𝑊𝑇 (MTOW), la carga estática máxima del tren de
nariz se obtiene, haciendo uso de la ecuación (3) 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 25.506; 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 3.8259 𝑁
Para hallar la carga máxima dinámica del tren de nariz es necesario determinar previamente la carga estática y la altura (J). Cabe resaltar que en esta ecuación hay dos valores predeterminados (3.048𝑆𝑚2) que es la desaceleración considerando un coeficiente de freno y la gravedad (9.81𝑆𝑚2). y F es la distancia entre el tren de nariz y tren principal. De acuerdo con la ecuación (6), se obtiene
:
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁+
(3.048𝑚
44 CDMTN= 5.3955 N
Asimismo, la carga estática máxima y la carga dinámica máxima en el tren de aterrizaje principal, se obtiene con la ecuación (4):
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =
0.8∗ 𝑊𝑇
2
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 = 10.2024 N
Por otro lado, se calcula el factor de carga o factor de reacción del tren de aterrizaje F.C.TN,
el cual se obtiene del cociente de la carga dinámica máxima y la carga estática máxima, mediante la ecuación (12):
𝐹. 𝐶𝑇𝑁=
𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁
𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁
=5.3955 3.8259
𝐹. 𝐶𝑇𝑁= 1.41
Figura 18: Cargas actuantes en el tren de aterrizaje [14]
3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales
Considerando la ecuación (16) y haciendo uso de la tabla 4, se determina la velocidad de descenso (Vd), lo cual sirve para el cálculo de la carga vertical (CVTP). Es relevante
45 𝑉𝑑 = 4.4 (𝑊
𝑆)
𝟏/𝟒
𝑉𝑑 = 4.4 ( 2.888 𝑙𝑏 3.078 𝑓𝑡2)
𝟏/𝟒
= 4.3305𝑙𝑏
𝑓𝑡= 1.3199 𝑚/𝑠
𝐶𝑉𝑇𝑃= 𝒏𝑺∗ 𝑷𝒎∗ 𝑵𝒈
= 2 ∗ 10.2024 ∗ 1.41
𝐶𝑉𝑇𝑃=28.7708 𝑁
Es preciso recalcar que la Pm es igual CEMTP, carga estática máxima y Ng representa F.
CT,factor de carga del tren, asimismo, ns, número de strut del tren principal, el cual según
los autores consultados suele ser 2. 3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales
Para determinar la carga lateral C.L, hacemos uso de la ecuación (21).
𝐶. 𝐿 =𝑊
2 ∗ 1.33 =
12.8511
2 ∗ 1.33
𝐶. 𝐿 = 8.560 𝑁
3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje
Los autores citados coinciden en hacer uso de información sobre resortes existentes en el mercado y adecuar a las demandas, para amortiguación en los trenes de aterrizaje son: resistencia a las cargas estáticas y dinámicas.
46
Diámetro exterior, Do =9.60 mm, diámetro de alambre, d =1.6 mm, longitud libre, Lo =65.50 mm, longitud cargada, L1 =35.20 mm, Altura sólida, Ls =32.80 mm, carga a L1, P =211.52 N y coeficiente de compresión, R =7.05 N/mm.
• Numero de espiras totales (Nt), utilizando la tabla 3:
Nt =Na + 2
Ls = d x Nt; Nt = Ls/d
Nt = 20.5
• Paso (p), utilizando la tabla 3:
p = Lo- 2d / Na
Nt = Na + 2; Na = Nt -2; Na = 18.5
p = [65.50 -2(1.6)] /18.5 p =0.000337 m (3.37mm)
3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje
El tren de aterrizaje del UAV utilizará un mecanismo retráctil (mediante servos), tal como se muestra en la figura 19, para que cumpla su correcto desplazamiento. Al momento de estar retraídos, los trenes principales se guardarán en el interior del fuselaje, de este modo se reduce considerablemente la resistencia aerodinámica que efectuaban al estar extendidos.
47
Para este punto se usa el software SAM-artas 6.1, para la simulación del mecanismo de retracción, es decir, la cinemática que existirá en el tren de aterrizaje, y así mismo poder obtener las fuerzas, desplazamiento y todos los parámetros durante el tiempo en el que este mecanismo funcione. Para realizar el debido cálculo se realizan los siguientes pasos:
• Se abre el software SAM-artas 6.1
• Se selecciona la herramienta “Create beam element”, tal como se muestra en la figura 20.
Figura 20 : Procedimiento para realizar la simulación.
48 Figura 21. Punto fijo o pivot
• Con la herramienta Angle input motion, se selecciona el elemento que tendra ovimiento, con el punto de fijación
• Posteriormente se ponen los valores de movimiento que tendrá,se muestra en la figura 22.
49 • Finalmente, se selecciona la la herramienta Select nodes/Element properties to
display in graph, y se hace la selección de parámetros que se desean observar con respecto al tiempo transcurrido en el movimiento.
En las figuras siguientes se muestran el movimiento del mecanismo para el tren de aterrizaje en diversos instantes de retracción. La figura 23 representa el mecanismo del tren cuando esta extendido.
Figura 23. Movimiento del mecanismo para tren de aterrizaje en 0 s.
50 Figura 25 : Gráfica del tren de aterrizaje en 3s
Figura 26 : Gráfica del tren de aterrizaje en 5s
Teniendo en cuenta que el movimiento sera accionado mediante servos electronicos, el cual se considero simular el movimiento, se obtuvo como resultados: Aceleracion de a= 0.01958 m/s2 , velocidad de v=0.06233 m/s y una velocidad angular de ω=0.3142 rad/s. 3.1.2.5 Diseño estructural 3D
Se hace uso del software CATIA V5;, el cual sigue la secuencia es la siguiente:
• Start
• Mechanical design
51 Figura 27: Inicio de diseño de partes de los trenes de aterrizaje
• Se elige el plano de trabajo y se inicia con el diseño de la pieza.
• Se crea Sketch, mostrado en la figura 28.
52 • Se usa las herramientas de Circle y Spline para dar el perfil que tendrá la pieza, en este
caso el neumático para el tren de aterrizaje.
• Se usa la herramienta Quick Trim para borrar los trazos innecesarios, luego se finaliza el Sketch con Exit Workbench . Ver las figuras 29 y 30.
Figura 29: creación del perfil de la pieza fase inicial
53 • Luego de crear el perfil, se cambia de modo de uso del software de Mechanical design -Part design a Shape-Generative Shape Design, con la finalidad de usar la herramienta Revolve, figura 31.
• Finalmente, se usa la herramienta Revolve y crear la pieza (neumático). Figura 32.
Figura 31: Cambio de modo de uso
54 • Para las piezas restantes se sigue el mismo proceso. Es relevante mencionar que el
proceso seguido no el único para poder crear piezas.
Por otro lado, para desarrollar el ensamble se procede con cambiar el modo de uso a Mechanical Design- Assembly Design y se inserta las piezas diseñadas, figuras 33 y 34. Figura 33: Inicio del proceso de ensamble
55 • Se usa la herramienta Coincidence Constrain para iniciar el ensamble
• También se puede usar Contact Constrain, Offset Constrain y otras herramientas.
• Luego Update All, se sigue el mismo proceso para las demás piezas.
Figura 35: Ensamble del neumático
56 Figura 37: Ensamble del tren de nariz -fase final.