diseño planeador

SIRIUS

1.- DISEÑO

2.- AERODINÁMICA

3.- ESTRUCTURAS

4.- ESTABILIDAD Y CONTROL

5.- PROPULSIÓN Y ACTUACIONES

6.- CONCLUSIONES

SIRIUS

1.- EVOLUCIÓN DEL DISEÑO

1.1. MODIFICACIONES

1.2. ESTRUCTURA INTERNA

2.- PRODUCTO FINAL

3.- PLANOS

SIRIUS

SIRIUS

MODIFICACIONES:- Retraso de la cabina- Espacio para el motor- Distribución interior- Ala y cola con flecha- Estructura interior

SIRIUS

-ESTRUCTURA INTERNA:

SIRIUS

SIRIUS

1.- PERFILES AERODINÁMICOS

2.- DISEÑO DEL ALA

3.- DISEÑO DE LA COLA

4.- PARÁMETROS DEL AVIÓN

– CLmáx.

– Angulo ataque máx.

– Polar del avión.

5.- EFICIENCIA.

SIRIUS

• Perfiles definitivos

ALA NACA 2415

COLA NACA 0012

SIRIUS

Clo 0,273

Cla 6,005

Clmax 1,444

a0L -2,237

aCLmax 15,000

Cdo 0,0068

Cdmin 0,0068

Clmin,drag 0,273

Cmo -0,053

Cma -0,0006

Clo 0,000

Cla 6,828

Clmax 1,540

a0L 0,000

aCLmax 15,000

Cdo 0,0068

Cdmin 0,0067

Clmin,drag 0

Cmo 0

Cm 0

NACA 2415 NACA 2415

SIRIUS

• Para estrechamiento 0,9

Factor de Oswald (e) :

λ 0,9

K 0,04227

R 0,95951

λ1 7,19769

e 0,94170

SIRIUS

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Factor de Oswald

Coeficiente de Oswald

SIRIUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

CL

CD

Polar del perfil y el ala

Polar del Ala

Polar perfil

SIRIUS

• Pendiente curva sustentación:

– CLα=4,8774

• Coeficiente de sustentación nulo:

– CLO=-4,8774*(-0,039)=0,19043

*0 LLL CCC

SIRIUS

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

-5 0 5 10 15 20

CL

AOA(grados)

CL del Ala y el Perfil

Ala

Perfil

SIRIUS

y = -0,0006x - 0,0534

-0,15

-0,13

-0,11

-0,09

-0,07

-0,05

-0,03

-0,01-10 -5 0 5 10 15 20

Coeficiente de momento del ala

Coeficiente de momentoCMα =0,0006

SIRIUS

• Para estrechamiento 0,83

Factor de Oswald (e) :

λ 0,833

K 0,1915

R 0,9195

λ1 1,3913

e 0,9966

SIRIUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

CL

CD

Polar Cola

SIRIUS

• Pendiente curva sustentación:

– CLα=2,45(radE-1)

• Coeficiente de sustentación nulo:

– CLO=0 (radE-1)

*0 LLL CCC

SIRIUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 5 10 15 20

CL

AOA(grados)

CL de la Cola y el perfil

perfil

Cola

SIRIUS

Coeficiente de Momento de la cola

Perfil simétrico:CMα=0

SIRIUS

• Cálculo del CLmáx.

Si consideramos que ∆y=3,9 y ΛLE=0, se obtiene que

CLmax=1,2996 en configuración limpia.

Fowler flaps para aumentar la sustentación:

CLmax =2,166 en configuración sucia

SIRIUS

• Cálculo del Angulo de ataque máx.

αzL=-2,227˚=-0,0039 rad

Lmax Lmax

LmaxC zl C

L

C

C

Como:

Por tanto αCLmax= 15,2297

SIRIUS

• Cálculo de la polar del avión:Polar parabólica de coef. Constantes.Mediante el “Component Build-up Method”:

DESPEGUE SUBIDA CRUCERO DESCENSO ESPERA ATRRIZAJE

V(km/h) 100,2 137,5 259,9 137,6 185,0 93,7

M 0,08209 0,11269 0,21296 0,11267 0,15153 0,07675

Cdo (limpio) 0,03217 0,02274 0,02213 0,02358 0,02351 0,03285

Cdo (sucia) 0,03217 0,02613 0,02553 0,02697 0,02690 0,03285

SIRIUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

CL

CD

Polar del avión

Subida

Crucero

Despegue

Espera

Aterrizaje

SIRIUS

• Cálculo de la polar del avión:Crucero en máx. autonomía y alcance.

AUTONOMÍA ALCANCE

V(Km/h) 118,94 156,53

M 0,09742 0,12821

Cdo (limpio) 0,02200 0,02276

Cdo (sucia) 0,02540 0,02616

SIRIUS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08

CL

CD

Polar crucero

Autonomia

Alcance

SIRIUS

• Un avión tiene un alto L/D si es elevada su sustentación y/o baja su resistencia.

• La eficiencia máxima se obtiene en crucero:

SIRIUS

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,5 1 1,5 2

L/D

CL

Eficiencia Aerodinámica del avión

Subida

Crucero

Despegue

Espera

Aterrizaje

SIRIUS

• La Eficiencia máxima para las distintas configuraciones del avión:

DESPEGUE SUBIDA CRUCERO DESCENSO ESPERA ATERRIZAJE

V 100,2 137,5 259,9 137,5 185,0 93,7

M 0,0820 0,1126 0,21296 0,11267 0,1515 0,0767

Cdo 0,0321 0,02613 0,02553 0,02697 0,0269 0,0328

Emax 13,5594 15,04418 15,2211 14,8067 14,8260 13,4182

SIRIUS

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

E

CL

Eficiencia crucero

E autonomia

E alcance

SIRIUS

• La Eficiencia máxima para crucero en máx. autonomía y máx. alcance:

AUTONOMIA ALCANCE

V 118,9 156,5

M 0,09742 0,128212

Cdo 0,02540 0,026162

Emax 15,25917 15,03627

SIRIUS

1.ESTIMACIÓN DE PESOS DEFINITIVA

1.1 Método combinado: Cessna+USAF+Torenbeek1.1.1 Novedades1.1.2 Avance de resultados

1.2 Resultados estimación de pesos1.2.1 Estructuras1.2.2 Equipos1.2.3 Estructuras + equipos1.2.4 Combustible1.2.4 Despegue

1.3 Desglose de pesos

2. CÁLCULO DE LA POSICIÓN DEL CDG

SIRIUS

1.1 Método Combinado: Cessna+USAF+Torenbeek

- Mejor herramienta de que disponemos.

- Objetivo: Refinar estimación de pesos de ala y fuselaje mediante compensación entre métodos.

-Últimos resultados obtenidos:

ALAS FUSELAJE

132.3 Kg 81.2 Kg

SIRIUS

1.1.1 NOVEDADES:

- Se ha prescindido de la APU.

- Las 2/3 partes de las alas serán fabricadas en material compuesto.

- El tanque de combustible se ha dividido en 2.

- El resto de parámetros se han mantenido.

1.1.2 AVANCE RESULTADOS:

COMPARATIVA CESSNA COMBINADO DIFERENCIA

ALAS 132.3 Kg 84.6 Kg 47.7 Kg

FUSELAJE 81.2 Kg 84.5 Kg -3.3 Kg

SIRIUS

TOTAL ESTRUCTURAS 224.4 Kg

ALAS 84.6 Kg

COLA EN V 6.8 Kg

FUSELAJE 84.5 Kg

TREN DE

ATERRIZAJE

48.4 Kg

0102030405060708090

1.2.1 Estructuras

ALA

COLA EN V

FUSELAJE

TREN DE ATERRIZAJE

SIRIUS

0102030405060708090

1.2.2 Equipos

ELÉCTRICO

AVIÓNICA

MOBILIARIO

MOTOR

TOTALEQUIPOS 115.2 Kg

ELÉCTRICO 16 Kg

AVIÓNICA 4 Kg

MOBILIARIO 14 Kg

MOTOR 81.8 Kg

SIRIUS

050

100150200250300350

1.2.3 Estructuras + Equipos

ESTRUCTURAS

EQUIPOS

W0

W0 339.6 Kg

ESTRUCTURAS 224.4 Kg

EQUIPOS 115,2 Kg

Restricción RFP: 450 Kg

SIRIUS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1.2.4 Combustible

TOTAL COMBUSTIBLE: 77.6 Kg

SIRIUS

0100200300400500600

1.2.5 DESPEGUEPESO MÁX DESPEGUE 587.2 Kg

W0 339.64 Kg

COMBUSTIBLE 77.63 Kg

PAYLOAD 170 Kg

Restricción RFP: 600 Kg

SIRIUS

Alas: 84.6 Kg

Fuselaje: 84.5 Kg

Cola en V: 6.8 Kg

Tren de aterrizaje: 48.4 Kg

Motor: 81.8 Kg

Eléctrico: 16 KgAviónica: 4 KgMobiliario: 14 Kg

Combustible: 77.6 Kg

Payload: 170 Kg

SIRIUS

SIRIUS

1.ESTABILIDAD LONGITUDINAL

1.1 Derivadas de Estabilidad Longitudinal

1.2 Margen Estático

1.3 Trimado Longitudinal

2. ESTABILIDAD LATERAL-DIRECCIONAL

2.1 Derivadas de Estabilidad Lateral-Direccional

2.1 Trimado con β=15º

2.1 Viraje coordinado

3. ESTABILIDAD DINÁMICA

3.1 Longitudinal.

3.2 Lateral-Direccional.

4. CRITERIOS DE ESTABILIDAD Y NORMATIVA

SIRIUS

• Peso=555 kg Velocidad=72 m/s

• xacw=2.2m xcg=2.15m xact=5.25m

• iw=0° it=-1.7°

• Motor centrado LT=NT=FT=0

• SE/St=SR/Sv=0.4 cola en V

• Diedro del Ala = 3°

• ca/cw=0.25

• Alerón desde y=2.5m hasta y=3.8m

SIRIUS

1.1 Derivadas de Estabilidad Longitudinal

1.2 Margen Estático

Entrega SM

2ª 0.71

3ª 0.008

Final 0.145

0 α δe

CL 0.1695 5.2028 0.3266

CM 0.0132 -0.7481 -1.0633

SIRIUS

α 1.0289 δe -0.045°

1.3 Trimado Longitudinal

CDi 3.75·10-4

SIRIUS

CYβ -0.3185 CYδa 0 CYδr 0.1701

CLβ -0.1470 CLδa 0.2765 CLδr 0.0223

CNβ 0.0749 CNδa -0.0231 CNδr -0.0590

2.1 Derivadas de Estabilidad Lateral-Direccional

2.2 Trimado con β fijo

δa 6.65º δr 16.45º ϕ 7.54º

β=15°

SIRIUS

2.3 Viraje Coordinado

•Momentos de Inercia (kg/m2)

• Factor de carga = 1.2

• Velocidad = 35 m/s

Ixx 789.36 Izz 2121.69 Ixz -41.694

Iyy 1418.32 Ixy -2.305 Iyz -0.055

β -0.742 º

δa -0.552º

δr -2.768 º

SIRIUS

3.1. Dinámica Longitudinal3.1.1 Derivadas de Estabilidad Adimensionales

CLα 5.2028 CDα 0.0831 CMα -0.7481

CLu 0 CDu 0 CMu 0

CLq 8.6409 CDδe 3·10-4 CMα˙ -7.65

CLδe 1.337 CLα˙ 1.73 CMδe -1.0633

3.1.2 Modo Corto Periodo y Fugoide

Corto Periodo Fugoideωn[s-1] 3.8180 0.1145ξ[kg/s] 1.0118 0.1033

SIRIUS

3.1.2 Modo Corto Periodo y Fugoide

SIRIUS

3.2 Dinámica Lateral-Direccional3.2.1 Derivadas de Estabilidad

CYδa 0 CYr 0.1967 CYp 0.0371

CLδa 0.2765 CLr 0.1049 CLp -0.4007

CNδa -0.0231 CNr -0.1019 CNp 0.0842

3.2.2 Modo Balanceo Holandés, Espiral y Roll

ωndr 2.484s-1 ξdr 0.1305kg/s

Sspiral -0.2834s-1 Ts 0.2834s

Sroll -5.1524s-1 Ts 0.1941s

SIRIUS

4.1 Criterios de Estabilidad

• Forward speed stability: -CDu = 0<0• Side Speed Stability: CYβ = -03185<0• Vertical Speed Stability: CLα = 5.2028>0• Angle of Attack Stability: CMα = -0.7481<0• Angle of Sideslip Stability: CNβ = 0.0749 >0• Roll Rate Stability: CLp = -0.4007<0• Pitch Rate Stability: CMq = -10.31<0• Forward Speed on Pitch Moment CMu = 0>0• Sideslip on Rolling Moment CLβ = -0.1470<0• Yaw Rate Stability CNr = -0.1019<0• Yβ · Nr – Nβ · Yr = 7.49 > 0

SIRIUS

4.2. Normativa

• Fugoide ξph = 0.1033

• Corto Periodo ξsp = 1.0118

•Balanceo Holandés ξdr = 0.1305

SIRIUS

1.- CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA MOTORA

2.- CURVAS DE ACTUACIONES

3.- POTENCIA REQUERIDA vs POTENCIA DISPONIBLE

4.- CARACTERÍSTICAS DE LOS SEGMENTOS DE VUELO

5.- CONSUMO DE COMBUSTIBLE

6.- ENVOLVENTE DE VUELO

7.- DIAGRAMA CARGA DE PAGO - ALCANCE

SIRIUS

ROTAX 914 UL

• Motor de pistón de 4 tiempos

• Configuración puller

SIRIUS

MODELOS DE POTENCIA Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE

SIRIUS

MODELOS DE POTENCIA Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE

• La posición de la palanca y la velocidad de giro del motor en cada segmento de vuelo serán tales que se proporcione la potencia necesaria para cumplir las condiciones de velocidad especificadas.

• HéliceDe paso variableTres palas con perfil Clark YDiámetro = 1.73 m

ηP máximo

SIRIUS

DIAGRAMA EMPUJE/PESO VS CARGA ALAR

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Wto/S (Pa)

Tsl/W

0

max

200670 600 8.785

WPa W kg S m

S

Tsl/W0 = 0.43

0 1000 2000 30000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Wto/S (Pa)

Tsl/W

0

crucero

dirty stall

despegue

subida

viraje a 5g

maxima autonomia

maxima carga de potencia

ELECCIÓN

SIRIUS

DIAGRAMA EMPUJE/PESO VS CARGA ALAR

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Wto/S (Pa)

Tsl/W

0

660 665 670 675 680

0.415

0.42

0.425

0.43

0.435

Wto/S (Pa)

Tsl/W

0

SIRIUS

• POTENCIA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

velocidad (m/s)

Pote

ncia

(W

)

nivel del mar

1000 m

2000 m

3000 m

4000 m

SIRIUS

• EMPUJE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

velocidad (m/s)

Em

puje

(N

)

0 m

1000 m

2000 m

3000 m

4000 m

SIRIUS

• CONSUMO ESPECÍFICO

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

x 10-4

Velocidad (m/s)

Consum

o e

specíf

ico (

N/s

)/N

0 m

1000 m

2000 m

3000 m

4000 m

SIRIUS

• CRUCERO

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

V(m/s)

Pot

enci

a (W

)

Potencia requerida & potencia disponible en crucero

SIRIUS

• CRUCERO: velocidad máxima

Régimen de

motorPotencia

Velocidad

máxima

5500 rpm

(δt=1)54.13 hp

287.49 km/h

(79.86 m/s)

5800 rpm

(δt=1)64.83 hp

303.47 km/h

(84.30 m/s)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

V(m/s)

Pote

ncia

(W

)

Potencia requerida en crucero

Potencia disponible a 5800 rpm

Potencia disponible a 5500 rpm

SIRIUS

• CRUCERO: techo máximo

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

velocidad (m/s)

Pote

ncia

(W

)

Diagrama de potencias para calcular el techo máximo

h = 0 m

h = 2500 m

h = 5000 m

h = 7500 m

h = 10895 m

TECHO MAXIMO = 10895 m

SIRIUS

• CRUCERO: velocidad de máxima autonomía

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

V (m/s)

Pote

ncia

(N

)

Potencia necesaria

Vmaxautonomia = 37.98 m/s

Vstallclean = 25.21 m/s

SIRIUS

• CRUCERO: velocidad de máximo alcance

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

V (m/s)

Em

puje

(N

)

Potencia necesaria

Vmaxalcance = 42.83 m/s

Vstallclean = 25.21 m/s

SIRIUS

• SUBIDA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

V(m/s)

Pote

ncia

(W

)

Potencia requerida & potencia disponible en subida

subida de 0 a 5000 ftsubida de 5000 a 10000 ft

Tramo Velocidad Palanca RPM

Subida 1 148 km/h

(41.11 m/s)0.6873 4711

Subida 2 203 km/h

(56.39 m/s)0.9966 5490

SIRIUS

• ESPERAS

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5x 10

4

V(m/s)

Pote

ncia

(W

)

Potencia requerida & potencia disponible en espera

espera a 5000 ftespera a 1500 ft

Tramo Velocidad Palanca RPM

Espera 1 185 km/h

(51.39 m/s)0.9198 2000

Espera 2185 km/h

(51.39 m/s)1.0231 2000

SIRIUS

• RESTO DE LOS TRAMOS

Utilizan regímenes predeterminados del motor:

Segmento Régimen Palanca RPM

Despegue Máxima potencia 1.15 5800

Descensos Ralentí 0.35 1400

Aterrizaje Ralentí 0.35 1400

SIRIUS

DESPEGUE

CALENTAMIENTO Y TAXI 8 minutos en ralentí

RODADURA Vfinal = 97.79 km/h

Srodadura = 144.29 m

trodadura = 9.3375 seg

ROTACIÓN Srotacion = 24.899 m

TRANSICIÓN Vtransicion = 93.71 m

γclimb = 16.73º

Stransicion = 99.43 m

SIRIUS

SUBIDA: γclimb = 0.09, 15.24m – 3048m (10000 ft)

TRAMO 1 (hasta 5000 ft) Vsub1 = 148 km/h

tsub1 = 412.44 s

Ssub1 = 16.89 km

TRAMO 2 (hasta 10000 ft) Vsub2 = 203 km/h

tsub2 = 300.7 s

Ssub2 = 16.89 km

SIRIUS

SUBIDA:

0 10 20 30 40 50 60 700

1

2

3

4

5

6

7

8

9

V (m/s)

Velo

cid

ad v

ert

ical (m

/s)

Velocidad vertical

Angulo de subida optimo

Velocidad de entrada en perdida en limpio

Velocidad vertical máxima

6.75 m/s

Ángulo de subida máximo

18.73o

Ángulo de subida óptimo

14.25o

SIRIUS

CRUCERO:

260 / 1200 4.62crucero cruceroV km h R km t h

Alcance máximo = 3359.61 km (154.19 km/h)

SIRIUS

DESCENSO 1: de 10000 a 5000 ft

Velocidad de descenso mínima = 2.2731m/s (104.93 km/h)

AUTONOMÍA MÁXIMA

Ángulo de descenso mínimo = 3.87o

(138.1 km/h)ALCANCE MÁXIMO

1 1 1138.10 / 22.53 588.68descenso descenso descensoV km h S km t s

SIRIUS

ESPERA 1: 5000 ft

Velocidad de máxima autonomía

Espera de 10 min. a 185 km/h

Emax = 4h 24min=116.74 km/h

Radio mínimo de giro = 21.88 m

SIRIUS

DESCENSO 2: de 5000 a 1500 ft


AUTONOMÍA MÁXIMA




SIRIUS

ESPERA 2: 1500 ft

Velocidad de máxima autonomía

Espera de 5 min. a 185 km/h

Emax = 5h 14min=110.68 km/h

Radio mínimo de giro = 19.67 m

SIRIUS

DESCENSO 3: de 1500 ft a nivel del mar


AUTONOMÍA MÁXIMA




SIRIUS

ATERRIZAJE

APROXIMACIÓN V = 105.93 km/h

γdescenso= 1.82o

tdescenso= 16.06 seg

FLARE Vflare= 100.23 km/h

Sflare= 12.58 m

tflare= 0.45 seg

ROTACIÓN LIBRE Srotacion = 26.03 m

ROTACIÓN EN FRENADO Sfrenado = 137.66 m

trodadura= 6.35 seg

SIRIUS

Segmento Consumo total (kg)

Despegue 0.1341

Subida 3.0968

Crucero 68.5536

Descenso 1 0.0542

Espera 1 0.8595

Descenso 2 0.0405

Espera 2 0.4780

Descenso 3 0.0180

Aterrizaje 0.0022

TOTAL 73.6328

Wo=587.22 kg

SIRIUS

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-2

-1

0

1

2

3

4

5

KEAS

facto

r de c

arg

a

VD

Vc

VA

VgVsneg

Vs

SIRIUS

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