martes, 1 de marzo de 2016

El papel de la relación "Lift & Drag" en el diseño de aviones (parte II)

Continuando con el post dedicado a los coeficientes Cl y Cd hoy vamos a seguir discutiendo sobre su influencia en cuanto a las características de vuelo. 

Como se recordará , en el post anterior hablábamos de las velocidades máximas y mínimas en una aeronave. Estas vendrían definidas (entre otras cosas) por los valores Cl max (para la velocidad mínima o pérdida -stall-) y Cd min (para la velocidad máxima).



Por lo tanto todo el rango de velocidades entre Vstall y Vmax viene determinado por estos dos parámetros, tal como se puede ver en la gráfica que se muestra a continuación. 



En la gráfica se puede ver la variación del Cl  sobre un amplio rango de velocidades. Este Cl es el que se necesita para mantener un vuelo recto y nivelado a una determinada altitud con un peso constante. Esto es, Rho sub infinito, W y S  en las fórmulas son constantes. Es importante darse cuenta de que los valores de Cl decrecen a medida que la velocidad V sub infinito aumenta. En efecto, a medida que el avión vuela más rápido, el ángulo de ataque debe de ser menor, tal como también se muestra en la gráfica. 

  • Vuelo lento = gran ángulo de ataque.
  • Vuelo rápido = bajo ángulo de ataque. 

El ángulo de ataque que necesita un avión para volar a una determinada velocidad viene dictado por un valor concreto del Cl. 

Obtener  sustentación de un cuerpo sólido es relativamente sencillo. Incluso una tabla o una puerta podrían generar sustentación si se las hace coincidir con viento y con un ángulo de ataque determinado. Para un diseñador el factor clave es el de poder generar sustentación (Lift) con la menor resistencia posible (Cd). Evidentemente una puerta o un atabla no son las formas más eficientes de generar sustentación. Así pues, la gráfica que se muestra arriba es posible alcanzarla con cualquier tipo de ala o superficie simplemente aumentando el ángulo de ataque lo suficiente. Pero la clave es hacerlo sin que se incremente la resistencia al aumentar la velocidad. Como se recordará en el post anterior hablábamos de Cd (la resistencia al avance), la cual venía determinada por la fórmula:


O lo que es lo mismo, cuando la velocidad aumenta, también lo hace la resistencia. Esta ecuación puede representarse también en la siguiente gráfica:



Una superficie aerodinámica no muy refinada daría como consecuencia una línea discontinua, como la que se ve en la figura, otra superficie mucho más eficiente daría lugar a una línea sólida (por debajo de la discontinua). Como se puede ver un efecto no deseable de una superficie poco eficiente es el hecho de que su velocidad máxima para una potencia igual se ve reducida con respecto al ala o superficie más eficiente (ver gráfica).

Por todo esto, se debe de enfatizar que la verdadera eficiencia aerodinámica de un ala (o cualquier otra superficie) viene determinada por la relación  sustentación/resistencia (Lift-to.Draf ratio), la cual viene dada por la ecuación:


Como el valor de Cl necesario para volar a una determinada velocidad y altitud está determinado por el peso del avión y la superficie del ala, en realidad se podría decir que es función de la relación W/S, la cual es llamada "carga alar" (wing loading) y de la cual ya hemos hablado aquí. Lo que se pretende es que la relación L/D sea la mayor posible (L/D max), o en otras palabras, el denominador (D) sea lo menor posible. Cuanto más alto es el valor de la relación L/D más aerodinámicamente eficiente es el ala. Para un avión determinado, volando a una altura determinada, la variación L/D en función de la velocidad se puede ver en el siguiente gráfico:




Nótese que a medida que la velocidad se incrementa, existe una velocidad intermedia entre la pérdida y la velocidad máxima, en la cual se obtiene el L/D máximo. También es importante darse cuenta de que a medida que la velocidad se incrementa, el ángulo de ataque decrece, tal como se dijo anteriormente. Desde un punto de vista estrictamente aerodinámico, la relación L/D para un cuerpo o ala  determinado depende del ángulo de ataque tal como se puede ver en la figura siguiente:


Si ambas curvas se combinan y se representan en función del ángulo de ataque (alfa), entonces obtendremos una gráfica como la que se muestra a continuación.





esta curva nos dice que cuando el avión obtiene su L/D más alto es porque está volando con el ángulo de ataque óptimo.

Para un piloto esta información es vital, ya que en caso de emergencia la relación L/D nos va a dar el mejor planeo (fallo de todos los motores). Antiguamente se podía saber todo esto a través de las tablas que ofrecía el fabricante del avión. Era lo que se conocía como "Pitch & Power". Hoy en día con la nueva aviónica esta información se representa en los PFD como un "punto verde". El famoso y archiconocido "green dot" del que ya se ha hablado aquí.

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