F1 Mecánica del Vuelo -...

Máster deEnsayos en Vuelo

(ETSIA-UPM)

ETSIA-UPM29.04.08

F1 MecF1 Mecáánica del Vuelonica del VueloF1.1 IntroducciF1.1 Introduccióón a la Mecn a la Mecáánica del Vuelonica del Vuelo

Miguel Miguel ÁÁngel Gngel Góómez Tiernomez TiernoDVA/ETSIADVA/ETSIA

Madrid, 7 octubre 2008Madrid, 7 octubre 2008


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F1 Mecánica del VueloF1.1 Introducción a la Mecánica del Vuelo

ÍNDICE

Definición de la Mecánica del Vuelo

Áreas de la Mecánica del Vuelo

Actuaciones

Estabilidad y Controlabilidad

Cualidades de Vuelo

Flight Control Systems (FCS)


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“Ciencia Aplicada que se ocupa delmovimiento de los vehículos voladores”:

Vuelo: “Desplazamiento de un vehículo a travésde un medio fluido o el vacío”

Vehículo: “Cualquier objeto artificial formadopor un conjunto de sistemas deformables,ligados entre sí de alguna forma”

DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO


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DEFINICIÓN DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)

¿ Por qué se engloban bajo la definición de Mecánica del Vuelolos “vuelos” de “vehículos” tan diversos ?

Porque todos tienen como denominadores comunes:

Métodos de control en tres ejes(deflexión superficies de mando, motores cohete...)

Campos de fuerzas:

Intensos (gravitatorio + fluidodinámicoo fluidoestático)

Débiles (presión radiación solar, otros)

Ausencia de ligaduras cinemáticas


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(Ingeniería Naval)

Mecánica (del Vuelo)Orbital


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Mecánica del Vuelo Atmosférico


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Mecánica del Vuelo Orbital + Atmosférico

Trayectorias de ascenso

Reentrada


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Restricción en la definición de la Mecánica del Vuelo:

“Ciencia Aplicada que se ocupa delvuelo (atmosférico) de los aviones”

Wilbur and Orville Wright (1896-1912)


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Restricción en la definición de la Mecánica del Vuelo:

“Ciencia Aplicada que se ocupa delvuelo (atmosférico) de los aviones”

AA--340340 EFAEFA

CASA 212CASA 212MooneyMooney


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ÁREAS DE LA MECÁNICA DEL VUELO

Grandes

centro de gravedad (cdg)según la trayectoria

rotaciones como sólido rígidoalrededor del cdg

ACTUACIONES

ESTABILIDADY CONTROL

xx

yy

zz

cdgcdgTrayectoriaTrayectoria

Pequeños (deformaciones elásticas estructura, ( Aeroelasticidad )subsistemas articulados y giratorios, etc.)


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ÁREAS DE LA MECÁNICA DEL VUELO (Cont.)

PROBLEMAS DE ACTUACIONESRelacionados con las especificaciones del avión impuestaspor el cliente

De punto: problemas locales de la trayectoriaIntegrales: problemas globales de la trayectoria

PROBLEMAS DE ESTABILIDAD Y CONTROLRelacionados con las llamadas Cualidades de Vuelo

EstáticosDinámicos

PROBLEMAS DE AEROELASTICIDAD

Estáticos: divergencia torsional, inversión de mando...Dinámicos: flameo o flutter


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ACTUACIONESActuaciones de punto

B-747

L

T

W

D

“...conseguir que una superficie sustente un peso dado mediante laaplicación de potencia contra la resistencia del aire.”

George Cayley (1773-1857)


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B-747

Vuelo horizontal rectilVuelo horizontal rectilííneoneo

Velocidades de vueloVelocidades máx. y mín.Techo

...

G-102

Subidas, descensos y planeosSubidas, descensos y planeos

Ángulos de subidasVelocidades ascensionalesDistancias recorridas

...

A-10

Virajes horizontalesVirajes horizontales(sostenidos e instant(sostenidos e instantááneos)neos)

Factor de cargaVelocidad angularRadio de viraje

...

ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones de punto (Cont.)


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Otras trayectorias

Vuelos acrobáticosVuelos parabólicos

...

Extra 260

Pitts

ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones de punto (Cont.)


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Vuelo de crucero (horizontal rectilíneo)

Alcance y radio de acciónAutonomía

...

x = 10915 x = 10915 kmkm (Londres(Londres--Singapur)Singapur)t = 12t = 12hh1313mm

MTOW = 548 TmMTOW = 548 Tm

ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones integrales


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Velocidades característicasDistancias recorridasTiempos empleados

...

B-747

STS-95

ACTUACIONES (Cont.)Actuaciones en despegue y aterrizaje


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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD

Mandos de vuelo primarios en un avión convencional

Definiciones

Mooney


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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)

xxbb

yybb

zzbb

cdgcdg

MMAA

NNAA

LLAA

MOMENTOS AERODINÁMICOS

de balance: LLAA

de cabeceo: MMAA

de guiñada: NNAA

Mandos de vuelo primarios de un avión convencional


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xxbb

yybb

zzbb

cdgcdg

δδee

δδrr

δδaa

δδaa

DEFLEXIONES SUPERFICIES DE MANDODEFLEXIONES SUPERFICIES DE MANDO

Alerones:Alerones: δδaa LLAA

TimTimóón de profundidad:n de profundidad: δδee −−MMAA

TimTimóón de direccin de direccióón:n: δδrr NNAA

ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Mandos de vuelo primarios de un avión convencional (Cont.)


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ACCIONES EN CABINA

B-727

F-18



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Mando longitudinal(cuernos hacia delante, timón hacia abajo)

ACCIONES EN CABINA (Cont.)


−− FFss


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Mando lateralMando lateral(cuernos hacia derecha, aler(cuernos hacia derecha, aleróón izq. baja y alern izq. baja y aleróón n dchodcho. sube). sube)


FFaa


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Mando direccionalMando direccional(pedal (pedal dchodcho. adelante y pedal izq. atr. adelante y pedal izq. atráás, tims, timóón derecha)n derecha)

Trim-Tab

TrimActuator

BoosterActuator

Rudder TravelActuator

Autotrim and Rudder TravelControl Unit

(ARTCU)



FFrr


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Estabilidad estática:

Generación de fuerzas y momentos que vayan directamentecontra las perturbaciones

M = 0M = 0M < 0M < 0→→ ESTABLEESTABLE

M > 0M > 0→→ ININESTABLEESTABLE

→→ INDIFERENTEINDIFERENTEM = 0M = 0

ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones


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ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD (Cont.)Definiciones (Cont.)

Control estático:

Relación entre las variables de vuelo y las deflexiones de lassuperficies de control

M = 0M = 0 M = 0M = 0


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Estabilidad dinámica:

Evolución con el tiempo de las variables de perturbacióna partir de un vuelo de referencia estacionario

ESTABLEESTABLE

ExponencialmenteExponencialmente OscilatoriamenteOscilatoriamente


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Estabilidad dinámica (Cont.):

INESTABLEINESTABLE

ExponencialmenteExponencialmente OscilatoriamenteOscilatoriamente


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- Modos longitudinales:

FugoideCorto periodo

- Modos lateral-direccionales:

Convergencia en balanceEspiralBalanceo holandés

Estabilidad dinámica (Cont.):


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Control dinámico:

Relación entre un movimiento cualquiera del avión y lasdeflexiones de las superficies de control en función del tiempo

δδee(t)(t)

θθ(t)(t)

θθ

tt

δδee

tt


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CUALIDADES DE VUELO

Conjunto de características del avión que determinanla opinión del piloto sobre:

la facilidad para controlar el avión y

llevar a cabo la misión pretendida.

Estas características son, fundamentalmente, las estudiadas en la

ESTABILIDAD Y CONTROLABILIDAD DINÁMICAS.


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Las Normas imponen rangos de valores a distintas característicasde Estabilidad y Controlabilidad dinámicas para otorgar lacorrespondiente Certificación.

Estos valores dependen de:

tipo de avión (Clase),

fase de vuelo (Categoría) y

nivel de aceptabilidad (Nivel).

CUALIDADES DE VUELO (Cont.)


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Tipo de avión

AA--340340 EFAEFA

CASA 212CASA 212MooneyMooney

CLASE ICLASE I CLASE IICLASE II

CLASE IIICLASE III CLASE IVCLASE IV



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Fase de vuelo

CATEGORCATEGORÍÍA AA A CATEGORCATEGORÍÍA BA B

CATEGORCATEGORÍÍA CA C



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Niveles de aceptabilidad y Escala de Cooper-Harper

Para la utilización de esta escala es necesario definir cuatro términos básicos: - INCONTROLABLE: El piloto puede perder el control del aparato y, por

supuesto, la tarea no es realizable. Las mejoras son indispensables.

- INACEPTABLE: El avión puede controlarse, pero la tarea no puede

realizarse. Las mejoras son necesarias. - INSATISFACTORIO: La tarea puede realizarse, pero los defectos

descubiertos justifican una mejora (este término debe precederse de la expresión “aceptable pero…debe mejorarse”).

- SATISFACTORIO: Las características del avión son lo suficientemente

buenas para permitir el cumplimiento de la tarea sinmejoras



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CUALIDADES DE VUELO (Cont.)Niveles de aceptabilidad y Escala de Cooper-Harper (Cont.)

IncontrolableIncontrolable

InaceptableInaceptable

InsatisfactorioInsatisfactorio

NIVELNIVEL

11

22

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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS)

Los modos dinámicos pueden clasificarse en dos categorías:

1.- “Rápidos” (tiempos característicos bajos);Relacionados con los tres grados de libertad rotacionales:

- Corto periodo- Convergencia en balance- Balanceo holandés

2.- “Lentos”;Relacionados con cambios en la trayectoria:

- Fugoide- Espiral


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FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)

Es imprescindible que los modos rápidos esténadecuadamente amortiguados

A veces interesa establecer y mantener condiciones de vuelo

Sistemas de Aumento de Estabilidad (SAS)- Pitch Stabilization System- Yaw Damper- ...

Autopilotos (AP)- De actitud (θ, φ)- De altitud- De senda de planeo- ...


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38

FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)Diagrama de bloques (SAS y AP)


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39

FLIGHT CONTROL SYSTEMS (FCS) (Cont.)Autopiloto lateral (de actitud en φ)

Sperry “gyro-stabilizer” (1914), montado en un hidroavión Curtiss F

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