INGENIERÍA AERONÁUTICA

ASIGNATURA:

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AEROESPACIAL

SESIÓN 1: La Atmósfera y Principios Aerodinámicos

PROFESOR:

MSc. Ing. CAMILO VELASQUEZ GRANDEZcamilovskyvg@hotmail.com

PRESENTACIÓN

En el curso se desarrollarán temas relacionados con la aeronáutica y la astronáutica; conceptos fundamentales, principios y leyes básicas que gobiernan los vuelos de las aeronaves, cohetes y satélites, así como descripción de estos ingenios. Presentación de organismos internacionales vinculados a la actividad espacial. Exposición de casos y proyectos nacionales.

Cohete sondaCohete sonda

Estación Terrestre de Control de SatélitesEstación Terrestre de Control de Satélites

AeroespacialEl término aeroespacial comprende las actividades de aeronáutica y astronáutica, las que se realizan en el ámbito formado por la atmósfera terrestre y el espacio exterior próximo.

AeronáuticaSe conoce como aeronáutica a la ciencia y técnica que estudia la navegación aérea.También es la ciencia o disciplina que estudia el vuelo de los aparatos mecánicos pesados, es decir, aviones y helicópteros, desde sus comienzos hasta la actualidad.Una definición de la aeronáutica relacionada con la ingeniería sería la ciencia o disciplina relacionada con el estudio, diseño y manufactura de los aparatos mecánicos pesados capaces de elevarse en vuelo y las técnicas de control de aviones

AstronáuticaSe conoce como astronáutica a la ciencia y técnica que estudia la navegación espacial.También se denomina astronáutica a la rama de la Ingeniería dedicada a diseñar y construir ingenios que operen fuera de la atmósfera de la Tierra, ya sean tripulados o no. Abarca tanto la construcción de los propios vehículos espaciales como el diseño de los lanzadores que habrán de ponerlos en órbita.

E. A. T.E. A. T.

M. E.M. E.

E. U. T.E. U. T.

2020--2525

100100

1010

4040

8080

375375

TROPOSFERATROPOSFERA

ESTRATOSFERAESTRATOSFERA

IONOSFERAIONOSFERA

TERMOSFERATERMOSFERA

EXOSFERAEXOSFERA

1,0001,000 Km.Km.CientíficoCientífico--FísicoFísico

CientíficoCientífico--JurídicoJurídico

AEREO

ESPACIAL

CONCEPTO AEROESPACIALCONCEPTO AEROESPACIAL

AeronaveUna aeronave es cualquier artefacto mecánico con capacidad para despegar, aterrizar y navegar por las zonas bajas y medias de la atmósfera, capaz de transportar personas, animales o cosas, siendo apto para sustentarse en el aire. Ejemplos de aeronaves son los aviones, helicópteros, dirigibles, etc.

SatéliteSe denomina satélite a cualquiera objeto celeste que gira alrededor de otro objeto celeste. En el caso de la tierra, alrededor de ella orbita un satélite natural que es la luna y múltiples satélites artificiales puestos por el hombre con fines comerciales, militares, científicos, etc. Sonda espacialUna sonda espacial es un dispositivo que se envía al espacio con el fin de estudiar planetas de nuestro sistema solar o recoger información sobre un cometa, por ejemplo.

LanzadorLanzador es un ingenio o vehículo capas de transportar y colocar satélites en orbitas terrestre o de enviar sondas espaciales al espacio ultra terrestre.

LA ATMOSFERALa tierra esta rodeada de una capa gaseosa, la cual crea las condiciones de vida de los seres vivientes y los protege de la acción nociva de la radiación cósmica, que viene desde lo profundo del cosmos y del sol. La atmósfera se considera a la región alrededor de la tierra, en el cual el medio gaseoso gira junto con la tierra como un solo conjunto. Los vuelos de las aeronaves suceden en la atmósfera y por eso en un elevado grado depende de sus características y construcción.El aire, como cualquier gas, posee capacidades ilimitadas para extenderse y uniformemente llenar su volumen dado, al mismo tiempo el aire, se encuentra en el campo gravitatorio de la tierra, posee un gran peso. Se considera que el peso de la atmósfera es aproximadamente 51.7x1017 kg. Gracias a esto, la densidad del aire y la presión atmosférica es máximo en la tierra, a medida que se eleva la altura disminuye paulatinamente. A la altura de algunos miles de kilómetros la densidad es igual a 10-24 gr/cm3.El aire que conforma la atmósfera, se conforma de una mezcla mecánica de gases, los que contienen (en volumen) en las capas inferiores los siguientes: 78% de nitrógeno, 21% de oxigeno, 0.93% de argon, otros gases 0.07 (gas carbónico, hidrogeno, neon, helio).

Los componentes relativos de los componentes constantes de la atmósfera prácticamente no varían hasta la altura de 90 Km. Hasta la altura de 400-600 km la atmósfera conserva ventajosamente los componentes de oxigeno-nitrógeno. Sin embargo poco apoco (debido a que las capas elevadas de la atmósfera están poco protegidos de la acción cósmica y alli se dan los procesos de disociación y ionizacion) el mayor componente es el oxigeno atómico, aparece también el nitrógeno atómico. Así, paulatinamente, el envolvente gaseoso, que circunda la tierra, pasa al gas interestelar, compuesto de 76% (en masa) de hidrogeno y 23% de helio. En las capas bajas, la atmósfera se conforma de gran cantidad de vapores de agua, compuestos de 1% de la masa total de la atmósfera, de productos de la combustión y polvo, cuyas concentraciones oscilan en los amplios límites (desde 10 granos de polvo hasta un litro sobre los bosques hasta 20x104 en las ciudades y centros industriales). En algunas regiones sobre todo en los centros industriales se ha descubierto grandes cantidades de gas sulfuroso y monóxido de carbono, banadio, aluminio. Cloro, zinc, fierro y otros.El desuniforme calentamiento de algunas zonas de la tierra y la atmósfera en diferentes regiones del globo terráqueo y a diferentes alturas, así también la rotación de la tierra permiten el aumento de las corrientes de aire.

Las numerosas observaciones demuestran que, la atmósfera tiene una exacta expresiva construcción de capas. En las capas de la atmósfera, no solamente varía los componentes del aire, sino también su temperatura. Tal como en la tierra, la atmósfera por influencia de la rotación de nuestro planeta también en algo ovalada sobre los polos y ensanchada en el ecuador.Las capas bajas de la atmósfera, abarca hasta la altura de 8 km en los polos y 18 km en el ecuador, se le llama TROPOSFERA (Vea la figura). Esta capa de la atmósfera se caracteriza por un intensivo desplazamiento de aire, presencia de nubosidades, precipitaciones, estable baja temperatura con el aumento de la altura (en promedio por cada 1000 mt la temperatura disminuye en 6.5 ºC). El gradiente vertical de temperatura se mantiene por las oscilaciones de las estaciones y del día, su valor puede variar desde 3º hasta 7.5 ºC por cada 1000 mt. La temperatura del aire sobre la tierra puede variar en amplios limites: desde -70ºC hasta +55ºC en los desiertos asiáticos.En la capa superior de la troposfera la temperatura del aire se estabiliza y se pone igual a -56.5ºC. Para los márgenes medios de altura 11 Km, en la cual la temperatura del aire prácticamente se conserva invariable. En relación a que la densidad del aire rápidamente disminuye con la altura, la troposfera esta concentrado el 80% de toda la masa atmosférica.

La capa superior de la troposfera, aproximadamente hasta la altura de 55 km, se extiende la ESTRATOSFERA, la cual en las capas bajas (hasta 25 km) se caracteriza por la constante temperatura del aire. A grandes alturas la temperatura aumenta, alcanzando +0.8ºC. La causa del surgimiento de esta caliente capa de la atmósfera se explica por la aparición de la absorción, que absorbe las moléculas de ozono y oxigeno por los rayos ultravioletas del sol. Arriba de la troposfera y debajo de la estratosfera se encuentran corrientes en un ancho de cientos de kilómetros, en los limites de los cuales el aire alcanza velocidades de 100-150 m/s.En las alturas de 55-80 km se distribuye la MESOSFERA, en la cual nuevamente sucede una paulatina disminución de la temperatura del aire hasta -88ºC. La mesosfera se conforma de 0.3% de toda la masa del aire.La siguiente capa es la TERMOSFERA que se extiende hasta 800 km.En esta capa por la acción de la emisión o irradiación solar sucede la disociación y ionizacion de las moléculas del aire, lo que lleva hacia el aumento de su temperatura hasta 750ºC.Sin embargo debido al gran enrarecimiento del aire del cuerpo que se encuentra en ella se calienta muy despacio, además una gran parte del calor, que comunica al cuerpo, se disipara por la irradiación

A la altura mayor de 800 km se encuentra la EXOSFERA, la cual es la zona de transición hacia el espacio cósmico.A consecuencia de una fuerte ionizacion del aire en la región superior de la atmósfera (40-800 km) obtuvo el nombre de ionosfera.PAUSAS – es la zona de transición entre las principales capas de la atmósfera. El de mayor interés para la aviación es la tropopausa, que separa la troposfera de la estratosfera, ya que esta el la zona principal del vuelo de los aviones modernos. El espesor de la tropopausa en diferentes oscila desde algunos cientos hasta algunos miles de metros.Los principales parámetros, que caracterizan el estado del aire es la presión, temperatura y densidad. varían significativamente no solamente por la altura, sino oscilan en dependencia de la amplitud y duración del lugar de observación, de la estación del año y los días. Para comodidad de los cálculos aerodinámicos y comparación de los resultados de los experimentos de las aeronaves, realizados en diferentes lugares y en diferentes tiempos fue dada la ATMOSFERA ESTANDAR INTERNACIONAL– atmósfera condicionada en los valores promedios del aire según la altura. Para la atmósfera estándar se han tomado las siguientes condiciones del nivel cero (nivel del mar): t0=15ºC, =760 mmhg=1,225 kg/m3.

ESQUEMA DE CONSTRUCCIÓN

DE LA ATMOSFERA

Primera Ley de Newton o principio de inercia

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser en tanto que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado.La primera ley especifica que todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que actúe sobre él una fuerza que le obligue a cambiar dicho estado.

Segunda Ley de Newton o Ley de Fuerza

la fuerza y la aceleración están relacionadas.En términos matemáticos esta ley se expresa mediante dos relaciones:

De la ecuación fundamental se deriva también la definición de la unidad de fuerza o newton (N). Si la masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el newton es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo le produce una aceleración de 1 m/s². Se entiende que la aceleración y la fuerza han de tener la misma dirección y sentido.

Tercera Ley de Newton o Ley de acción y reacción

A toda acción le ocurre siempre una reacción de igual magnitud pero de diferente sentido: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas.La tercera ley expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza de igual intensidad y dirección pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.

Términos físicos

DensidadSe define la densidad como la masa por unidad de volumen.d = masa / volumen ; d = m/v

PresiónMedida de la fuerza sobre la unidad de superficie. Presión = fuerza / superficie ; p = F/S

Temperatura La temperatura es una magnitud física descriptiva de un

sistema que caracteriza la transferencia de energía térmica, o calor, entre ese sistema y otros. Desde un punto de vista microscópico, es una medida de la energía cinética asociada al movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema. Se expresa en el sistema MKS:ºC o ºK

Gas Estado de la materia en que la magnitud de los lazos de

unión entre las moléculas es muy débil, tal que su volumen es indefinido, confinado siempre al recinto que lo contiene.

Relación entre presión y temperatura Si calentamos una masa de gas contenida en un recipiente, la presión que ejerce esta masa sobre el recipiente se incrementa, pero si enfriamos dicha masa la presión disminuye. Igualmente, comprimir un gas aumenta su temperatura mientras que descomprimirlo lo enfría. Esto demuestra que hay una relación directa entre temperatura y presión. Así, la presión del aire cálido es mayor que la del aire frío. Al escuchar las predicciones meteorológicas, asociamos ya de forma intuitiva altas presiones con calor y bajas presiones con frío. La ley de compresión de los gases de Gay-Lussac ya lo dice: "La presión de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos".

(P1 x V1) / T1 = (P2 x V2) / T2

Presión atmosféricaSe define como la fuerza ejercida por la atmósfera sobre una unidad de superficie, fuerza que se debe al peso de la masa de aire contenido en una columna imaginaria que tiene como base dicha unidad.

La altura de esta columna y por tanto el peso del aire que contiene, depende del lugar en que nos encontremos. A nivel del mar la columna que tenemos encima es mayor que en la cumbre del Huacarán, la cual es a su vez mayor de la que tendríamos en la cima del Everest.

Debido precisamente a esta propiedad (y a la menor densidad del aire), los aviones que vuelan por encima de una altitud determinada deben estar provistos de sistemas de presurización en la cabina de pasajeros.

Para medir la presión atmosférica, se puede utilizar un barómetro de mercurio, un barómetro aneroide, o cualquier otro aparato más sofisticado;

Temperatura del aireAunque existen factores particulares que afectan a la temperatura del aire, como por ejemplo lo cercano o lejano que esté un lugar respecto a la línea del ecuador, su lejanía o proximidad a la costa, etc., un hecho común es que el calor del sol atraviesa la atmósfera sin elevar significativamente su temperatura; esta energía es absorbida por la Tierra provocando que esta se caliente y eleve su temperatura, la cual es cedida gradualmente a las capas de aire en contacto con ella. En este ciclo continuo, cuanto más alejadas están las capas de aire de la tierra menos calor reciben de esta.

PRESIÓN VS ALTURA TEMPERATURA VS ALTURATEMPERATURA VS ALTURA

Densidad del aire

La densidad de cualquier cuerpo sea sólido, líquido o gaseoso expresa la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen.

Si a un cuerpo se le aplica calor éste aumenta su volumen lo que significa, por definición, que su densidad disminuye; por contrario si al mismo cuerpo se le somete a una presión disminuye su volumen, por consiguiente su densidad aumenta.

En el caso de la atmósfera al aumentar la altura por efecto de la disminución de la presión la densidad del aire disminuye y, sin embargo la temperatura disminuye provocando que la densidad aumente; ambos efectos son opuestos, pero prima o tiene mayor efecto la presión por lo finalmente la densidad disminuye con la altura.

Valores al nivel del mar:

Temperatura: 15ºC (59ºF). Presión: 760 mm Hg; 29,92 pulgadas Hg; 1013,25 mb.Densidad: 1.225 Kg./m³ Aceleración debido a la gravedad: 9,81 m/seg.². Velocidad del sonido: 340,29 m/segundo.

Gradiente térmico:1,98ºC por cada 1000 pies 6,5ºC por cada 1000 m.

Descenso de presión:1" por cada 1000 pies 110 mb por cada 1000 m.

Atmósfera tipo o estándar

1 atmósfera = 760 mm Hg = 29.92 pug. Hg = 1.033 Kg./ cm. ²

= 14.7 lb./pug. ² = 1013.25 mb = 101325 Pa.

Principios Aerodinámicos

AerodinámicaEs la parte de la dinámica de fluidos que estudia el movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se hallan en el. Algunos ejemplos son el movimiento de un avión a través del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura cualquiera o el funcionamiento de un molino de viento.

De acuerdo con el número de Mach o velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide en subsónica, supersónica e hipersónica según que dicho número sea inferior o superior a la unidad.M=V/a V – velocidad del avión a – velocidad del sonido

Es lo mismo considerar que un objeto se mueve a través del aire, como que este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve (túnel de viento)

Es importante que el piloto obtenga el mejor conocimiento posible de estas leyes y principios para entender, analizar y predecir el rendimiento de un aeroplano en cualquier condición de operación.

Teorema de Bernoulli

Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión estática y presión dinámica en un punto cualquiera permanece constante".Para que se mantenga esta constante (k), si una partícula aumenta su velocidad (v) será a costa de disminuir su presión (p), y a la inversa.Expresando el teorema en forma de una relación tenemos:presión estática + presión dinámica = la presión total = constante

p + pd = k pd = ½ dv2

p + ½ dv2 = kdonde:p: presión estática en un punto dadopd: presión dinámicad. densidad del fluido v: velocidad en dicho punto

Efecto Venturi

Giovanni Battista Venturi comprobó experimentalmente que al pasar por un estrechamiento las partículas de un fluido aumentan su velocidad.

Un venturi es un dispositivo que clásicamente incorpora una simple convergencia y divergencia a través de una sección y usa los principios de Bernoulli para relacionar la velocidad con la presión del fluido. Este principio se basa en que cuando el gas o liquido en movimiento, baja su presión aumenta su velocidad.

Un tubo de venturi es usado para medir la velocidad del flujo de un fluido. En la garganta, el área es reducida y su velocidad se incrementa. En el punto donde la velocidad es máxima, la presión es mínima. Esto lo sabemos de la ecuación de Bernoulli.

1 2

TÚNEL DEL VIENTO"... en aeronáutica, es un aparato que simula las condiciones a las que se somete un objeto que se mueve a través del aire. Se usan túneles del viento para estudiar los efectos del aire frente al movimiento de objetos como el avión, nave espacial, automóviles, edificios, y puentes.Los túneles del viento varían en tamaño de unos 12 m a 24 m (40 ft a través de 80 ft). El área de sección transversal del túnel, es la parte más difícil en donde desarrollar y sostener fluidos-aire a gran velocidad. Éste es sobre todo un problema en túneles supersónicos e hipersónicos en donde los necesidades de potencia son tan grandes que el tamaño del túnel debe mantenerse aun más pequeño. Tales velocidades son producidas por compresores, la descarga de gas guardado bajo alta presión. Las velocidades más altas son aquéllas obtenidos en el Centro de Investigación Ames, alcanzando velocidades de 48,000 km/h (30,000 mph) aproximadamente en segundo...”Inicialmente los diseñadores de aviones acreditaban sus aviones después de una prueba de funcionamiento, ellos se basaban en el vuelo del pájaro. Claro, se haría algo más que mirar pájaros para descubrir los secretos de volar. Para volar, ellos necesitaron entender el flujo de aire frente al avión y como usar esta información para mejorar el diseño y la construcción de aviones.

Esto significó construir laboratorios en los que podrían probarse alas, fuselajes, y superficies del mando bajo las condiciones controladas.Hoy los diseños de aviones pasan por el túnel de viento una significante prueba antes de construirse para clasificarlos según tamaño y prueba-vuelo.H. Wenham Franco generalmente se acredita como el diseñador y operador del primer túnel de viento, en 1871.

LAS PARTES DE UN TÚNEL DEL VIENTO

CÁMARA DE ESTABILIZACIÓN

CONO DE REDUCCION

SECCIÓN DE PRUEBA

DIFUSOR

SECCIÓN DE PASO

La mayoría de los tipos ofrece cada uno de los cinco componentes descrito. El diseño general es crear gran velocidad, baja-turbulencia en el flujo a través de la sección de la prueba y permite a los investigadores medir las fuerzas resultantes sobre el modelo a probarse.Cámara de estabilización - El propósito de la cámara de estabilización es estabilizar el flujo.Cono de la reducción - El cono de reducción toma un volumen grande de aire de baja-velocidad y lo reduce a un volumen pequeño de aire de alto-velocidad sin crear turbulencia.Sección de Prueba - La sección de la prueba es donde se ponen el a prueba las maquetas de prueba y sensores.Difusor - El difusor retarda la velocidad del flujo en el túnel del viento.Sección de paso - La sección del paso proporciona la fuerza que causa el aire para mover a través del túnel del viento.Los túneles del viento pueden ser de tipo abiertos ó cerrado.

Túnel de Viento (Aplicación del Efecto Venturi)

PORQUÉ VUELAN LOS AVIONES

Un objeto plano, colocado un poco inclinado hacia arriba contra el viento, produce sustentación; por ejemplo una cometa. Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire. Un ala es un ejemplo de diseño avanzado de perfil aerodinámico.Veamos que sucede cuando un aparato dotado de perfiles aerodinámicos (alas) se mueve en el aire (dotado de presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con determinada posición hacia arriba (ángulo de ataque).El ala produce un flujo de aire en proporción a su ángulo de ataque y a la velocidad con que el ala se mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor (efecto Venturi) que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica menor presión (teorema de Bernoulli).

Tenemos pues que la superficie superior del ala soporta menos presión que la superficie inferior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la zona de mayor presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba), conforme a la Tercera Ley del Movimiento de Newton.Pero además, la corriente de aire que fluye a mayor velocidad por encima del ala, al confluir con la que fluye por debajo deflecta a esta última hacia abajo, produciéndose una fuerza de reacción adicional hacia arriba. La suma de estas dos fuerzas es lo que se conoce por fuerza de sustentación, que es la que mantiene al avión en el aire.Como hemos visto, la producción de sustentación es un proceso continuo en el cual cada uno de los principios enumerados explican una parte distinta de este proceso. Esta producción de sustentación no es infinita, sino que como veremos en capítulos posteriores tiene un límite.

Explicación del vuelo aerodinámico

Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire.Los principios de la sustentación es independientemente de la simetría o asimetría del perfil y de la diferencia de curvatura entre las superficies superior e inferior .En vuelo invertido la forma del perfil del ala es más curvada por abajo que por arriba y sin embargo produce sustentación .Se regula la sustentación mediante el control del ángulo de ataque y la velocidad.

FIN