Diseño aerodinamico de planeadores

Some basic issues on Glider aerodynamic design, with a second part on new coming developments

1. Algunas cuestiones sobre el diseño Aerodinámico
de los Planeadores
Juan Claudio (Tito) Agui
Astir CS, EC-HER
Nov’2011

2. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
2
Nuestros padres:
KlausHolighaus1940-1994

Estudiante de la Universidad de
Darmstadt
–
Miembro de la Akaflieg Darmstad

En Schemp-Hirth desde 1965
–
Diseñador de una gran serie de veleros:

Cirrus, Standard-Cirrus, Nimbus-1,
Nimbus-2, Nimbus-3, Nimbus-4, Ventus,
Ventus-2, Discus, Janus, Nimbus-3D,
Nimbus-4D and Duo-Discus.

Gran piloto de veleros, a nivel
competición mundial
–
Murió a los 54 años en los Alpes en un
accidente de vuelo
Parte de esta presentaci Parte de esta presentaci
óó
n est n est
áá
basada en la Conferencia de basada en la Conferencia de
Klaus Klaus
Holighaus Holighaus
en la U. de Virginia en 1971) en la U. de Virginia en 1971)

3. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
3
Componentes básicos de la resistencia
de un velero

Resistencia Parásita:
–
Fuselaje, empenajes, tren,
interferencias, etc..Cd
paras.

Resistencia del Perfil
–
Fricción en el ala, debido a
factores viscosos. Cd
perfil

Resistencia Inducida
–
Resistencia debida a la
forma del ala y a los
torbellinos de la punta del
ala.
A alta velocidad, Cl bajos, los efectos de fricción ( Cd
paras
y Cd
perfil
) dominan, mientras
que a baja velocidad Cl alto, la resistencia induci da es lo más importante

4. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
4
Algunas ecuaciones ( las menos !)
c* = S / b c* = S / b ΛΛ
g
= b= b
2 2
/ S = b / c* / S = b / c*
Geometr Geometr
íí
a del Avi a del Avi
óó
n:n:
b/2b/2
C*C*
S/S/
22
CC
DD
= =
CC
DD
oo
+ +
CC
DD
pp
+ +
CC
DD
ii
D = C D = C
D * D *
QQ
* *
SS
L = C L = C
LL
* Q * S * Q * S
……
. Q = . Q =
½½
ρρ
UU
22
Vuelo en Equilibrio Vuelo en Equilibrio
DD
W
LL
U
L ~ W L ~ W
NN
úú
mero de Reynolds mero de Reynolds
Re = (U Re = (U
* *
c) / c) /
νν
El Re mide la importancia relativa de las
fuerzas de inercias vs fuerzas viscosas.

5. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
5
El diseño de un velero es un ejercicio
de compromiso…a Altas Velocidades

O sea, en Transición:
queremos el máximo planeo a
la máxima velocidad:
–
Minima Resistencia de perfil y
parásita

Perfiles laminares a bajo Cl y
alto Reynolds
Mínima superficie “mojada”

Bajo espesor
–
Máxima Carga alar

Máximo peso por unidad de
superficie Alar.
–
Sqrt(Peso/Superfice) ~ V*,
Velocidad Característica

Máximo Peso ( Agua !) y
mínima Superficie

6. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
6
Aproximando el perfil, por medio de
una simple placa plana
RefRef
: F. Thomas. Fundamentals : F. Thomas. Fundamentals
……
Re=URe=U
**
l / l /
νν
Cuerda, Velocidad crecientes
Cd,
Resistencia
ρQueremos flujo laminar, y al mayor Re posible !
La resistencia
por fricción de
una placa plana,
(dos caras)
Número de
Reynolds y
rugosidad.
Alta
turbulencia
Baja
Turbulencia

7. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
7
Influencia de la polar del Perfil en el
comportamiento del Velero: Perfiles
laminares.

Los veleros requieren un
Cd bajo en un amplio
rango de Cl
–
0,2 en crucero
–
1,4 en térmica

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

Perfiles Wortmann y
Eppler
–
Superiores a perfiles
laminares de alta velocidad
Naca 662-415
(especialmente a alto Cl)
Ref: (Quast & Thomas, Braunschweig)

8. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
8
Influencia del Número de Reynolds en
el Cddel perfil

Desgraciadamente la
resistencia
aerodinámica del perfil
aumenta al disminuir el
# de Reynolds…
Vuela rápido, con alta
carga alar…
Con alto alargamiento,
y en las puntas la
cuerda disminuye,
disminuyendo el Re,
aumentando la
resistencia.

9. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
9
Perfiles, Finos o Gordos ?
Cuando más ancho es el
“rango laminar” mayor el
Cd mínimo

Más Espeso
–
Más ancho “Bucket
Laminar”
–
Más robusto frente a la
contaminación,

Más Fino
–
Menos Cd en Glide
–
Más sensible al agua
–
Menor rango de Cl

10. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
10
El reto es por tanto minimizar el Cd
máximizarCl_max.

Mínimo espesor
–
Para optimizar el
planeo
–
Máx Laminaridad

Uso de Flaps:
–
Aumenta Cl_max
–
Disminuye Cd a Cl
Altos
El truco está en aumentar
la zona laminar, y en
gestionar el paso a
turbulento y el
desprendimiento de las
burbujas…

11. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
11
Evolución de los Perfiles de los
Veleros
Astir CS
ASW 24
Nimbus
SB-11
ASW-27
SB-11
StdCirrus
SB-10
Std.Libelle
ASW-19
ASW-22
Foka-4
Weihe-50
Vampyr
Grunau B.
ASK-21
(tip)
SGS 1-21
FS24 Phoenix
??

12. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
12
Mientras que en térmica, los
requerimientos son contrarios….

Alto Alargamiento y Optima
planta de ala
–
Para minimizar la Resistencia
inducida

Máximo Cl
–
Clmax alto minimiza la
velocidad de térmica
–
Buenas características en
Pérdida

13. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
13
Para la Térmica: Minimizar la
resistencia inducida
ε
Dos factores clave:
–
Alargamiento
–
Forma en Planta alar, para conseguir
distribución elíptica de la Sustentación
(min Cdi)
εε
= Torsi = Torsi
óó
n en las Puntas n en las Puntas

14. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
14
La forma del ala y sus perfiles son críticos
para su comportamiento en pérdida

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

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

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

De nuevo con una doble
contracción se obtiene la
solución óptima

15. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
15
En suma, existe un alargamiento óptimo, que
depende del Cl más representativo a tomar

16. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
16
Alargamientos y Envergaduras
DG-300
Astir CS

17. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
17
Evolución en la planta alar (Alargamiento, Forma elíptica, Winglets)
Antares-20 ASG29
AstirCS
Eta
51
52,457,137,3
72
38
0,59
51,3
30,5
56
42
0,63
31,7
20
50
33
0,59
30,4
18
38
28,2
0,83
18,1
15
L/D
w/S
c
Λ
b

18. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
18
Nuevos desarrollos:
LMM Boermans

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

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

FAI Pirat Gehriger Diploma

Contribuidor clave en la mayoría de los
desarrollos más modernos:
–
Antares
–
Stemme S family
–
Mü-31
–
Concordia

Ver http://vimeo.com/14487449

19. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
19
Quése puede hacer ??
Disminuir la fricción del Ala
–
Aumentar el % Laminar del Perfil, con nuevos perfil es, o con
succión.

Disminuir CDi
–
Winglets ( aumentar la envergadura equivalente )
–
Aumentar el alargamiento

Baja el # Numero de Reynolds

Disminuir la Resistencia Parásita
–
Disminuir la resistencia del fuselaje
–
Mejorar la integración ala-fuselaje
Principalmente basado en “The shape of things to come” por
LMM Boermans Sailplane and Gliding Aug/Sep 2009

20. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
20
Perfiles Laminares a Bajos Números
de Reynolds (Largo Alargamiento)
Eppler Eppler
EE
--
603603
19% espesor 19% espesor
Astir Astir
CSCS
Wortmann Wortmann
FX67FX67
--
KK
--
170170
17% Espesor 17% Espesor PIKPIK
--
2020
DUDU
--
9797
--
127127
--
15M15M
12% Espesor 12% Espesor Antares Antares

21. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
21
DUDU
--
9797
--
127127
--
15M15M

Perfil de última
generación (Antares)

Mínima resistencia a
en un amplio rango
de Cl.

22. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
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Succión de la Capa Límite

23. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
23
La succión ofrece, en teoría, menor
resistencia y mayor sustentación

24. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
24
Lo que debe redundar en unas prestaciones
muy superiores para el planeador

25. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
25
Interferencia Fuselaje-Ala

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

26. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
26
Quéhacer ? Minimizar el flujo-Alfa,
doblando el fuselaje…

27. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
27
Quéhacer ? Cambiar los perfiles de la
raíz a las puntas…

28. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
28
Quéhacer ? O separar el ala del
fuselaje.
Mü31
Fritz Johl
J-5

29. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
29
Quéhacer ? Pensar de forma
radicalmente diferente: Canards
Colibri Colibri
(1972) (1972)
SilentFight SilentFight
Desie Desie
(2012) (2012)
Canard 2 Canard 2
--
FL ( 1976) FL ( 1976)

30. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
30
Quéhacer ? Pensar de forma
radicalmente diferente: Alas no
planares
““
Hacia el Box Hacia el Box
WingWing
””
((
IlanIlan
KrooKroo
, Stanford U). , Stanford U).
JS1JS1
Arcus Arcus

31. Planeo final
Del hoy, al principio…

32. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
32
@Friedrichshafen, 2011

33. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
33
Solar Impulse , 2010

34. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
34
Swift, Ilan Kroo, 1991

35. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
35
Minimoa, 1935

36. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
36
Fafnir 1930

37. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
37
Aisa – Dewoitine IP-2, 1949

38. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
38
K.W.7 Kronfeld 1920’s